极端制造 | 由双尺度悬垂锯齿结构实现的选择性液体择向

作 者

孙静1、秦学志1、宋雨欣1、徐振宇1、张超1、王伟2、王兆坤2、王彬1,3,*、王钻开2,*

*表示通讯作者

机  构

1 香港城市大学

2 香港理工大学

3 中国科学院深圳先进技术研究院

Citation

Sun J, Qin X Z, Song Y X, Xu Z Y, Zhang C, Wang W, Wang Z K, Wang B, Wang Z K. 2023. Selective liquid directional steering enabled by dual-scale reentrant ratchets. Int. J. Extrem. Manuf. 5 025504.

原文链接：https:/doi.org/10.1088/2631-7990/acccbc

撰稿 | 文章作者

文章导读

自1805年托马斯·杨提出表界面浸润性理论的两百多年以来，在研究者的传统认知中，在无外部能量输入的情况下，液体在固体表面的传输方向是明确的，即主要由材料表面结构决定而不会随液体的本征性质的变化而发生改变。比如在非对称的结构表面，水和酒精都可能发生单向传输，但其传输方向是一致的。而最近的研究发现，南洋杉叶片的多曲率结构特征使其具备让不同液体自主择向的功能，研究者由此研发了一种亚毫米级具有横向和纵向双重曲率的3D毛细锯齿结构用于调控不同表面张力的液体铺展模式，实现了同一表面上流体的自主择向。然而，制备这种复杂的结构需要结合3D打印和抛光后处理来消除打印过程中所产生的微槽状粗糙结构，使得表面尽可能的光滑以满足设计的曲率要求，流程繁复且抛光操作可能损坏精细的结构，不利于实际应用。因此，进一步简化结构和制备工艺，同时保持液体择向的功能尤为重要。近期，香港理工大学机械工程系王钻开教授课题组在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《由双尺度悬垂锯齿结构实现的选择性液体择向》的研究论文，研发了一种可通过3D打印一步制备的双尺度锯齿结构来实现液体择向的技术，并通过调控其中二级微槽结构的取向实现了对液体流向的进一步操控，增进了我们对流体流动与固体结构之间相互作用的理解，并为流体操控的广泛应用提供了新思路。

\ 关键词 /

液体铺展；悬垂锯齿；双尺度结构

\ 亮  点 /

简化结构设计并通过3D打印一步制备了悬垂锯齿结构以实现液体择向；

利用3D打印逐层固化的特性制备了可调多尺度结构；

通过调控二级结构的取向实现了对液体流向的操控。

研究背景

控制液体在固体表面上的定向传输对于各种工业应用至关重要，例如油水分离、集水、热管理及微流控等。液体的定向传输现象在自然界中也普遍存在，许多生物表面，例如沙漠甲虫的背部、蜘蛛丝和鸟嘴都具有定向输送液体的能力，这得益于其特殊的表面结构或化学性质。近年来，许多研究者试图通过控制非对称微/纳米结构、润湿性梯度或输入外部能量来模仿这种液体的定向运动。无一例外，在之前的研究中，液体的流向是由材料表面结构或者外部刺激决定而与液体本征性质无关。最 新研究表明，在不改变表面结构和无能量输入的前提下，不同表面张力的液体也可自主选择其运动方向，这是通过设计和制备仿南洋杉的3D毛细锯齿结构来实现的。这种复杂的双重曲率锯齿结构可通过3D打印来制备，但由于3D打印层级固化的特性，不可避免地会产生微槽状粗糙结构，需要进一步使用抛光处理以达到设计要求。

最新进展

文章首先设计了一种可通过3D打印一步制备的双尺度锯齿结构，如图1所示。该结构宏观上呈现为亚毫米级A形倾斜锯齿，顶部修饰有悬垂结构，微观上，整个结构表面覆有周期性排列的微米级槽，微槽的排列方向可以通过控制打印参数来调控，图1c和1d中微槽的排列方向分别垂直和平行于锯齿倾斜方向。

图1 （a）数字光处理3D打印装置示意图；（b）双尺度悬垂锯齿结构的俯视和侧视扫描电镜图(SEM);（c, d）微槽分别垂直和平行于锯齿倾斜方向的双尺度悬垂锯齿结构的SEM图。

图2 （a，b）液体在微槽垂直和平行于锯齿倾斜方向的结构上分别向前和向后铺展的动态图；（c）液体铺展距离随时间的变化图；（d）不同表面张力的液体在微槽垂直和平行于锯齿倾斜方向的结构上铺展方向的相图。

当将本征接触角约为60o的乙醇/水混合溶液（乙醇质量分数为9%）持续注入微槽排列方向垂直于锯齿倾斜方向的结构上时，液体沿着结构倾斜的方向向前铺展，而当同样的液体注入微槽排列方向平行于锯齿倾斜方向的结构上时，液体沿着与结构倾斜相反的方向向后铺展（图2），这种现象表明二级微槽结构可用于调控液体的流动方向。图2d为不同接触角的液体在微槽分别垂直和平行于锯齿倾斜方向的结构上铺展方向的相图。总体上，本征接触角介于40o-60o之间的液体在这两种结构上表现出了不同的流向，而接触角更大或者更小的液体则对微槽的取向并不敏感，在这两种结构上的铺展方向基本一致。这种结果说明微槽的取向仅对具有适度润湿性的液体的铺展动态起主导作用。当液体的接触角较大时，在这两种微槽结构上均难以铺展，因此铺展动态主要由宏观结构决定，而当液体的接触角过小时，液体铺展得太快以至于完全覆盖了结构，最 终在两个表面上均表现为双向铺展。

图3 （a，b）液体在微槽垂直和平行于锯齿倾斜方向的结构上分别向前和向后铺展的机理示意图。

文章进一步从理论上分析了微槽取向对液体微观流动的影响（图3）。当微槽排列方向垂直于锯齿倾斜方向时，阶梯状的微槽可被视为延迟阀以减缓液体向后的铺展，而锯齿尖 端的悬垂结构又可钉扎住液体阻碍其向前流动，因此液体在这种结构上的铺展方向取决于微槽和悬垂尖 端之间作用力的竞争。与之相对地，平行于锯齿倾斜方向的微槽由于毛细作用可以促进液体在锯齿侧面的铺展，因此相对于垂直于锯齿倾斜方向的微槽，这种取向的微槽更有利于液体向后铺展。

图4 （a，b）液体在微槽垂直和平行于锯齿倾斜方向的结构上铺展过程的模拟结果。（c）液体铺展距离随时间的变化图。

为了验证微槽的取向对液体流动的作用，文章采用Fluent模拟了相同液体在单个锯齿结构上的铺展动态。如图4所示，在微槽排列方向平行于锯齿倾斜方向的结构上，液滴铺展得更快更远，因而证实了与锯齿倾斜方向平行排列的微槽更有利于液体向后铺展。

未来展望

控制液体定向传输在微流控系统、化学反应器以及油水分离等领域具有很大的应用前景，为了进一步优化结构设计以满足实际应用，仍需对液体铺展的微观动态和机理进行更深入的研究，如使用先进的可视化工具来揭示液体和固体结构如何在微观尺度上相互作用。此外，仍需进一步拓展材料的功能以面向复杂的应用场景，如向材料中添加功能性或响应性的成分。尽管3D打印技术可实现多尺度复杂结构的制备，但是结构的加工精度与制造效率之间仍互相制约，因此，需要开发其它的制备工艺，比如软刻蚀来提高制造效率并拓展材料体系。

作者简介

      王钻开 教授       

香港理工大学

王钻开，香港理工大学机械工程学系讲座教授，协理副校长（研究与创新）。2000年毕业于吉林大学并获机械工程学士学位，2003年在中国科学院上海微系统与信息技术研究所，获微电子学硕士学位，2008年获美国伦斯勒理工大学机械工程博士学位。王教授是香港青年科学院院士（创始成员）及国际仿生工程学会会士、裘槎高级研究学者（2023）、香港研究资助局高级研究学者（2022）、2022年度科睿唯安全 球高被引学者、中国教育部长江讲席教授（2016）。他获得了多项荣誉，包括裘槎优秀科研者奖（2023）、华为火花奖（2022）、青山科技奖（2021）、科学探索奖（2020）、先进工程材料名人堂（2019）、第35届世界文化理事会青年特別嘉奖（2018）、香港城市大学杰出研究奖和校长奖等。王教授担任Wiley出版社期刊《Droplet》的执行主编，同時亦担任10多个国际期刊的副主编和顾问编委。研究重 点聚焦仿生工程表面和材料、增材制造、能量收集、流体动力学、软物质等领域，在《Nature》、《Science》、《Nature Physics》、《Nature Materials》等杂志上发表论文200余篇。

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