文章導(dǎo)讀

自1805年托馬斯·楊提出表界面浸潤性理論的兩百多年以來，在研究者的傳統(tǒng)認(rèn)知中，在無外部能量輸入的情況下，液體在固體表面的傳輸方向是明確的，即主要由材料表面結(jié)構(gòu)決定而不會隨液體的本征性質(zhì)的變化而發(fā)生改變。比如在非對稱的結(jié)構(gòu)表面，水和酒精都可能發(fā)生單向傳輸，但其傳輸方向是一致的。而最近的研究發(fā)現(xiàn)，南洋杉葉片的多曲率結(jié)構(gòu)特征使其具備讓不同液體自主擇向的功能，研究者由此研發(fā)了一種亞毫米級具有橫向和縱向雙重曲率的3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)用于調(diào)控不同表面張力的液體鋪展模式，實(shí)現(xiàn)了同一表面上流體的自主擇向。然而，制備這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)需要結(jié)合3D打印和拋光后處理來消除打印過程中所產(chǎn)生的微槽狀粗糙結(jié)構(gòu)，使得表面盡可能的光滑以滿足設(shè)計(jì)的曲率要求，流程繁復(fù)且拋光操作可能損壞精細(xì)的結(jié)構(gòu)，不利于實(shí)際應(yīng)用。因此，進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)和制備工藝，同時(shí)保持液體擇向的功能尤為重要。近期，香港理工大學(xué)機(jī)械工程系王鉆開教授課題組在SCI期刊《極。端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發(fā)表《由雙尺度懸垂鋸齒結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的選擇性液體擇向》的研究論文，研發(fā)了一種可通過3D打印一步制備的雙尺度鋸齒結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)液體擇向的技術(shù)，并通過調(diào)控其中二級微槽結(jié)構(gòu)的取向?qū)崿F(xiàn)了對液體流向的進(jìn)一步操控，增進(jìn)了我們對流體流動與固體結(jié)構(gòu)之間相互作用的理解，并為流體操控的廣泛應(yīng)用提供了新思路。

\ 關(guān)鍵詞 /

液體鋪展；懸垂鋸齒；雙尺度結(jié)構(gòu)

\ 亮  點(diǎn) /

簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并通過3D打印一步制備了懸垂鋸齒結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)液體擇向；

利用3D打印逐層固化的特性制備了可調(diào)多尺度結(jié)構(gòu)；

通過調(diào)控二級結(jié)構(gòu)的取向?qū)崿F(xiàn)了對液體流向的操控。

研究背景

控制液體在固體表面上的定向傳輸對于各種工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要，例如油水分離、集水、熱管理及微流控等。液體的定向傳輸現(xiàn)象在自然界中也普遍存在，許多生物表面，例如沙漠甲蟲的背部、蜘蛛絲和鳥嘴都具有定向輸送液體的能力，這得益于其特殊的表面結(jié)構(gòu)或化學(xué)性質(zhì)。近年來，許多研究者試圖通過控制非對稱微/納米結(jié)構(gòu)、潤濕性梯度或輸入外部能量來模仿這種液體的定向運(yùn)動。無一例外，在之前的研究中，液體的流向是由材料表面結(jié)構(gòu)或者外部刺激決定而與液體本征性質(zhì)無關(guān)。最新研究表明，在不改變表面結(jié)構(gòu)和無能量輸入的前提下，不同表面張力的液體也可自主選擇其運(yùn)動方向，這是通過設(shè)計(jì)和制備仿南洋杉的3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。這種復(fù)雜的雙重曲率鋸齒結(jié)構(gòu)可通過3D打印來制備，但由于3D打印層級固化的特性，不可避免地會產(chǎn)生微槽狀粗糙結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)一步使用拋光處理以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

最新進(jìn)展

文章首先設(shè)計(jì)了一種可通過3D打印一步制備的雙尺度鋸齒結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)宏觀上呈現(xiàn)為亞毫米級A形傾斜鋸齒，頂部修飾有懸垂結(jié)構(gòu)，微觀上，整個(gè)結(jié)構(gòu)表面覆有周期性排列的微米級槽，微槽的排列方向可以通過控制打印參數(shù)來調(diào)控，圖1c和1d中微槽的排列方向分別垂直和平行于鋸齒傾斜方向。

圖1 （a）數(shù)字光處理3D打印裝置示意圖；（b）雙尺度懸垂鋸齒結(jié)構(gòu)的俯視和側(cè)視掃描電鏡圖(SEM);（c, d）微槽分別垂直和平行于鋸齒傾斜方向的雙尺度懸垂鋸齒結(jié)構(gòu)的SEM圖。

圖2 （a，b）液體在微槽垂直和平行于鋸齒傾斜方向的結(jié)構(gòu)上分別向前和向后鋪展的動態(tài)圖；（c）液體鋪展距離隨時(shí)間的變化圖；（d）不同表面張力的液體在微槽垂直和平行于鋸齒傾斜方向的結(jié)構(gòu)上鋪展方向的相圖。

當(dāng)將本征接觸角約為60o的乙醇/水混合溶液（乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%）持續(xù)注入微槽排列方向垂直于鋸齒傾斜方向的結(jié)構(gòu)上時(shí)，液體沿著結(jié)構(gòu)傾斜的方向向前鋪展，而當(dāng)同樣的液體注入微槽排列方向平行于鋸齒傾斜方向的結(jié)構(gòu)上時(shí)，液體沿著與結(jié)構(gòu)傾斜相反的方向向后鋪展（圖2），這種現(xiàn)象表明二級微槽結(jié)構(gòu)可用于調(diào)控液體的流動方向。圖2d為不同接觸角的液體在微槽分別垂直和平行于鋸齒傾斜方向的結(jié)構(gòu)上鋪展方向的相圖?？傮w上，本征接觸角介于40o-60o之間的液體在這兩種結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出了不同的流向，而接觸角更大或者更小的液體則對微槽的取向并不敏感，在這兩種結(jié)構(gòu)上的鋪展方向基本一致。這種結(jié)果說明微槽的取向僅對具有適度潤濕性的液體的鋪展動態(tài)起主導(dǎo)作用。當(dāng)液體的接觸角較大時(shí)，在這兩種微槽結(jié)構(gòu)上均難以鋪展，因此鋪展動態(tài)主要由宏觀結(jié)構(gòu)決定，而當(dāng)液體的接觸角過小時(shí)，液體鋪展得太快以至于完。全覆蓋了結(jié)構(gòu)，最終在兩個(gè)表面上均表現(xiàn)為雙向鋪展。

圖3 （a，b）液體在微槽垂直和平行于鋸齒傾斜方向的結(jié)構(gòu)上分別向前和向后鋪展的機(jī)理示意圖。

文章進(jìn)一步從理論上分析了微槽取向?qū)σ后w微觀流動的影響（圖3）。當(dāng)微槽排列方向垂直于鋸齒傾斜方向時(shí)，階梯狀的微槽可被視為延遲閥以減緩液體向后的鋪展，而鋸齒尖。端的懸垂結(jié)構(gòu)又可釘扎住液體阻礙其向前流動，因此液體在這種結(jié)構(gòu)上的鋪展方向取決于微槽和懸垂尖。端之間作用力的競爭。與之相對地，平行于鋸齒傾斜方向的微槽由于毛細(xì)作用可以促進(jìn)液體在鋸齒側(cè)面的鋪展，因此相對于垂直于鋸齒傾斜方向的微槽，這種取向的微槽更有利于液體向后鋪展。

圖4 （a，b）液體在微槽垂直和平行于鋸齒傾斜方向的結(jié)構(gòu)上鋪展過程的模擬結(jié)果。（c）液體鋪展距離隨時(shí)間的變化圖。

為了驗(yàn)證微槽的取向?qū)σ后w流動的作用，文章采用Fluent模擬了相同液體在單個(gè)鋸齒結(jié)構(gòu)上的鋪展動態(tài)。如圖4所示，在微槽排列方向平行于鋸齒傾斜方向的結(jié)構(gòu)上，液滴鋪展得更快更遠(yuǎn)，因而證實(shí)了與鋸齒傾斜方向平行排列的微槽更有利于液體向后鋪展。

未來展望

控制液體定向傳輸在微流控系統(tǒng)、化學(xué)反應(yīng)器以及油水分離等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景，為了進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以滿足實(shí)際應(yīng)用，仍需對液體鋪展的微觀動態(tài)和機(jī)理進(jìn)行更深入的研究，如使用*的可視化工具來揭示液體和固體結(jié)構(gòu)如何在微觀尺度上相互作用。此外，仍需進(jìn)一步拓展材料的功能以面向復(fù)雜的應(yīng)用場景，如向材料中添加功能性或響應(yīng)性的成分。盡管3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備，但是結(jié)構(gòu)的加工精度與制造效率之間仍互相制約，因此，需要開發(fā)其它的制備工藝，比如軟刻蝕來提高制造效率并拓展材料體系。