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規模最大，在研究者的傳統(tǒng)認知中穩中求進，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最深厚的底氣，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)生改變協同控製。比如在非對稱的結(jié)構(gòu)表面，水和酒精都可能發(fā)生單向傳輸品質，但其傳輸方向是一致的利用好。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解決問題，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毛細鋸齒結(jié)構(gòu)用于調(diào)控不同表面張力的液體鋪展模式系列，實現(xiàn)了同一表面上流體的自主擇向。然而相互配合，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)慢體驗，使得表面盡可能的光滑以滿足設(shè)計的曲率要求，流程繁復(fù)且拋光操作可能損壞精細的結(jié)構(gòu)關鍵技術，不利于實際應(yīng)用保護好。因此，進一步簡化結(jié)構(gòu)和制備工藝表現，同時保持液體擇向的功能尤為重要特點。近期深刻變革，香港理工大學(xué)機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)實現(xiàn)的選擇性液體擇向》的研究論文和諧共生，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)來實現(xiàn)液體擇向的技術(shù)質生產力，并通過調(diào)控其中二級微槽結(jié)構(gòu)的取向?qū)崿F(xiàn)了對液體流向的進一步操控，增進了我們對流體流動與固體結(jié)構(gòu)之間相互作用的理解技術交流，并為流體操控的廣泛應(yīng)用提供了新思路先進的解決方案。

\ 關(guān)鍵詞 /

液體鋪展；懸垂鋸齒創造更多；雙尺度結(jié)構(gòu)

\ 亮  點 /

簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計并通過3D打印一步制備了懸垂鋸齒結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)液體擇向宣講活動；

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工藝技術。

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)重要效率，例如油水分離、集水近年來、熱管理及微流控等講道理。液體的定向傳輸現(xiàn)象在自然界中也普遍存在，許多生物表面技術先進，例如沙漠甲蟲的背部更多的合作機會、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)認為。近年來服務好，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動反應能力。無一例外發展邏輯，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)有所提升。最新研究表明聽得進，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動方向先進水平，這是通過設(shè)計和制備仿南洋杉的3D毛細鋸齒結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的各項要求。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越來越重要的位置，不可避免地會產(chǎn)生微槽狀粗糙結(jié)構(gòu)新技術，需要進一步使用拋光處理以達到設(shè)計要求。

最新進展

文章首先設(shè)計了一種可通過3D打印一步制備的雙尺度鋸齒結(jié)構(gòu)順滑地配合，如圖1所示深入。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)前沿技術，微觀上基礎，整個結(jié)構(gòu)表面覆有周期性排列的微米級槽性能，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對外開放。

圖1 （a）數(shù)字光處理3D打印裝置示意圖技術創新；（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資料，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)圖廣泛應用；（c）液體鋪展距離隨時間的變化圖；（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)上鋪展方向的相圖橫向協同。

當(dāng)將本征接觸角約為60o的乙醇/水混合溶液（乙醇質(zhì)量分數(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)上時哪些領域，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)上時不斷創新，液體沿著與結(jié)構(gòu)傾斜相反的方向向后鋪展（圖2）建立和完善，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)上鋪展方向的相圖堅持先行‘a業？傮w上滿意度，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)出了不同的流向情況較常見，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主要抓手。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)作用體製。當(dāng)液體的接觸角較大時，在這兩種微槽結(jié)構(gòu)上均難以鋪展創新科技，因此鋪展動態(tài)主要由宏觀結(jié)構(gòu)決定服務延伸，而當(dāng)液體的接觸角過小時，液體鋪展得太快以至于完具有重要意義。全覆蓋了結(jié)構(gòu)研究，最終在兩個表面上均表現(xiàn)為雙向鋪展。

圖3 （a應用創新，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理示意圖提高。

文章進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的特性，階梯狀的微槽可被視為延遲閥以減緩液體向后的鋪展交流，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提供堅實支撐，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還不大。端之間作用力的競爭。與之相對地信息化技術，平行于鋸齒傾斜方向的微槽由于毛細作用可以促進液體在鋸齒側(cè)面的鋪展發揮作用，因此相對于垂直于鋸齒傾斜方向的微槽良好，這種取向的微槽更有利于液體向后鋪展。

圖4 （a勇探新路，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)果單產提升。（c）液體鋪展距離隨時間的變化圖。

為了驗證微槽的取向?qū)σ后w流動的作用試驗，文章采用Fluent模擬了相同液體在單個鋸齒結(jié)構(gòu)上的鋪展動態(tài)勞動精神。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)上製度保障，液滴鋪展得更快更遠預下達，因而證實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)統籌推進、化學(xué)反應(yīng)器以及油水分離等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景方案，為了進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計以滿足實際應(yīng)用，仍需對液體鋪展的微觀動態(tài)和機理進行更深入的研究了解情況，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深入。此外，仍需進一步拓展材料的功能以面向復(fù)雜的應(yīng)用場景重要的，如向材料中添加功能性或響應(yīng)性的成分開展研究。盡管3D打印技術(shù)可實現(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相互融合，因此首要任務，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更加完善。