西南科大 JMCA：在仿雪花圖案多功能用于微液滴操控研究方面取得進展
2023-04-15 來源：高分子科技
近日，西南科大制造學院制造過程測試技術(shù)教育部重點實驗室微納仿生制造團隊提出了一種具有雙定向潤濕性的多功能雪花圖案界面用于高效、精準的次序微液滴操控的方法，并以“Sequence liquid manipulation on a multifunctional snowflake-patterned interface with dual unidirectional wettability”為題，發(fā)表在國際著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》（SCI一區(qū)，IF：14.511）上。制造學院機械工程2020級碩士生吳威明為論文的第一作者，通訊作者為制造學院機械工程學科李國強教授，南開大學曹墨源教授以及中南大學銀愷教授。
微流控器件在霧水收集、化學微反應(yīng)、生物醫(yī)學分析等方面具有重要的應(yīng)用前景。微滴操控技術(shù)目前在眾多研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大的進展，利用仿生幾何結(jié)構(gòu)和潤濕性機制以實現(xiàn)液體的高效驅(qū)動模式已受到研究人員的廣泛關(guān)注。相關(guān)研究人員在微液滴驅(qū)動的操控方式、界面材料、傳輸性能以及功能性應(yīng)用等方面進行了大量的研究，取得了巨大的進展。雖然目前的研究已經(jīng)實現(xiàn)了非對稱結(jié)構(gòu)液滴的定向輸運，但在復雜環(huán)境中實現(xiàn)高效、適應(yīng)性強的連續(xù)微液滴運輸仍存在一定的挑戰(zhàn)。此外，多仿生機制協(xié)同策略實現(xiàn)液滴的精準次序操控，更是鮮為研究。
針對這一難題，受雪花的多級分形結(jié)構(gòu)啟發(fā)，結(jié)合仙人掌錐刺的幾何不對稱結(jié)構(gòu)和穿孔荷葉的潤濕性梯度定向液滴運輸?shù)撵`感，提出了一種基于飛秒激光制備的多功能雪花狀圖案化界面（MSPI）用于次序微液滴操控。由于雙不對稱機制的協(xié)同作用，該界面能夠以雙重定向路徑實現(xiàn)液滴的運輸，即第一階段液滴在圖案表面的定向運輸和第二階段液滴在微錐孔陣列上不可逆的穿透，同時實現(xiàn)了液滴從限域親水圖案向非限域超親水表面的定向運輸。液滴雙定向運輸?shù)膶崿F(xiàn)主要歸結(jié)于第一步的圖案表面運輸為第二步的定向穿透儲存了足夠的表面能量。
微流控器件在霧水收集、化學微反應(yīng)、生物醫(yī)學分析等方面具有重要的應(yīng)用前景。微滴操控技術(shù)目前在眾多研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大的進展，利用仿生幾何結(jié)構(gòu)和潤濕性機制以實現(xiàn)液體的高效驅(qū)動模式已受到研究人員的廣泛關(guān)注。相關(guān)研究人員在微液滴驅(qū)動的操控方式、界面材料、傳輸性能以及功能性應(yīng)用等方面進行了大量的研究，取得了巨大的進展。雖然目前的研究已經(jīng)實現(xiàn)了非對稱結(jié)構(gòu)液滴的定向輸運，但在復雜環(huán)境中實現(xiàn)高效、適應(yīng)性強的連續(xù)微液滴運輸仍存在一定的挑戰(zhàn)。此外，多仿生機制協(xié)同策略實現(xiàn)液滴的精準次序操控，更是鮮為研究。
針對這一難題，受雪花的多級分形結(jié)構(gòu)啟發(fā)，結(jié)合仙人掌錐刺的幾何不對稱結(jié)構(gòu)和穿孔荷葉的潤濕性梯度定向液滴運輸?shù)撵`感，提出了一種基于飛秒激光制備的多功能雪花狀圖案化界面（MSPI）用于次序微液滴操控。由于雙不對稱機制的協(xié)同作用，該界面能夠以雙重定向路徑實現(xiàn)液滴的運輸，即第一階段液滴在圖案表面的定向運輸和第二階段液滴在微錐孔陣列上不可逆的穿透，同時實現(xiàn)了液滴從限域親水圖案向非限域超親水表面的定向運輸。液滴雙定向運輸?shù)膶崿F(xiàn)主要歸結(jié)于第一步的圖案表面運輸為第二步的定向穿透儲存了足夠的表面能量。
為了探索該界面的功能化應(yīng)用潛力，創(chuàng)造性地設(shè)計開發(fā)了基于MSPI的兩種新應(yīng)用。在微化學領(lǐng)域，實現(xiàn)了兩種微液滴的精準化學反應(yīng)和固液分離；多功能雪花狀圖案化界面的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢也被證明具有良好的集霧效應(yīng)與定點澆灌能力，可以精準地為霧環(huán)境中的植物提供直接的水資源。
本研究為多機制協(xié)同策略實現(xiàn)液滴操控開發(fā)了有益平臺，為復雜應(yīng)用環(huán)境下的液滴操控提供了一種自適應(yīng)、高效的方法，在環(huán)境、健康、能源等應(yīng)用領(lǐng)域具有重要學術(shù)價值。審稿人認為這項工作提出了一種新穎的方法，結(jié)合了雪花，仙人掌刺幾何結(jié)構(gòu)和荷葉潤濕特性的表面功能化，所設(shè)計的功能化結(jié)構(gòu)對于一些重要領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的指導意義。本課題將前沿的仿生設(shè)計理念與尖端的微納精密制造技術(shù)相結(jié)合，致力于微液滴運輸收集效率低與應(yīng)用功能局限等難題的解決，選題體現(xiàn)了基礎(chǔ)研究應(yīng)面向環(huán)境能源等領(lǐng)域需求、堅持“問題導向”的原則，體現(xiàn)了材料學、流體力學、納米技術(shù)等多學科交叉、融合等特點和特色。
論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3TA01120H
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（責任編輯：xu）
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