仿松針多級非對稱結構超疏水表面多尺度液滴定向輸運

液滴的自發定向輸運在芯片實驗室、能源電力系統、油氣輸運、水收集和除濕等領域具有廣泛的應用前景，其主要取決于表面形貌結構和化學組成的非對稱性，具體表現為浸潤性梯度、各向異性結構和曲率梯度等。液滴輸運的速度和距離是判定輸運效率的有效指標。合理的設計并制備表面結構是實現快速、長程的液滴自發定向輸運的有效方法。然而，傳統的加工技術加工精度較低、加工結構單一，很難滿足結構性能要求。

近日，大連理工大學馮詩樂副教授，受松針表面多級非對稱結構啟發，使用深圳摩方材料科技有限公司PμSL 3D打印技術（nanoArch® S140），制備了仿松針多級非對稱結構表面，實現了快速、長程的液滴自發定向輸運。該研究以“Tip-inducedflipping of droplets on Janus pillars: from local reconfiguration to globaltransport"為題發表在國際頂級期刊《ScienceAdvances》上，為液滴的定向輸運領域的發展提供了新的思路。論文第一作者為大連理工大學馮詩樂副教授，通訊作者為香港城市大學王鉆開教授和巴黎高等物理化工學院David Quéré教授。

圖1 松針和仿松針多級非對稱結構表面的形貌結構特征

圖2 仿松針多級非對稱結構表面的形貌結構參數調控

要點：研究者借鑒松針表面結構特征，設計并制備包括第一級的傾斜陣列結構、第二級的高度梯度結構和第三級的平面/曲面組合的半錐形結構的仿松針多級非對稱結構表面。上述表面（圖1）由nanoArch S140微尺度3D打印設備加工，使用材料為HTL耐高溫樹脂，打印層厚為10微米。陣列間距為300微米，尖.錐傾斜角度β為70°，高度梯度α為20°，尖.錐頂端大小為10-20微米。在打印過程中，通過精密刮刀刮除細小的氣泡，來保障加工質量。同時，研究者還設計了僅包含傾斜陣列結構和半錐形結構的對照樣品，與僅包含傾斜陣列結構和高度梯度結構的對照樣品。通過nanoArch S140微尺度3D打印技術，實現了包括傾斜、高度梯度及平/曲面組合的復雜三維結構表面參數的精確調控及大規模制備（圖2）。

圖3 仿松針多級非對稱結構表面微液滴自發定向輸運

圖4 仿松針多級非對稱結構尖.端效應

要點：在凝結過程中，液滴先隨機在表面凝結，然后向尖.端匯聚，然后尖.端液滴會在合并過程中重新配置，并從半錐形結構的平面旋轉到曲面位置，隨后合并的液滴會沿著高度增加的方向運動，進而實現從微觀到宏觀的多尺度液滴的定向輸運，其液滴定向輸運的速度可以達到10 cm/s。研究者發現液滴在合并過程中重新配置是非對稱結構誘導的尖.端效應導致的，并通過建立能量變化模型證明，當液滴尺寸大于結構尺寸時，液滴坐落于平面的系統能量大于坐落于曲面上的系統能量，從而揭示了液滴從平面向曲面運動的機理。研究者發現毫米級的液滴在合并過程中依然會從平面運動到弧面上，證明非對稱結構誘導的尖.端效應普遍適用于各種尺度的液滴。

論文鏈接: https://advances.sciencemag.org/content/6/28/eabb4540/