湖南大學王兆龍團隊：3D打印制備仿生超疏水微結構用于微液滴操縱

自然界中的生物體為了能夠很好地適應外界環境，在不斷進化中擁有了自己獨.特的能力。早在宋代就有詩詞“出淤泥而不染，濯清漣而不妖"，這其中描述的是“荷葉效應"——荷葉表面由于具有特殊排列的微納米結構而表現出對水的排斥，這種現象被稱為超疏水現象。由于具有超疏水結構的表面在自清潔、抗腐蝕、流動減阻、油/水分離、微反應器和液滴操縱等領域具有較強的應用潛力。因此，通過“師法自然"的方法來設計并且制備出具有超疏水結構的仿生表面發展迅速。科研工作者們已經研究開發了許多制取具有超疏水性質的表面的方法，然而想精確制備具有復雜形狀的仿生微結構的方法卻不容易，并且通過單獨控制微結構的尺寸來精確控制表面的親疏水性質也極其重要。

彈尾蟲是一種依靠皮膚進行呼吸的節肢類昆蟲，喜愛生活在陰暗潮濕的環境中，為了適應環境，彈尾蟲在長期的進化中在表皮逐漸形成了微蘑菇結構，這種結構使得彈尾蟲具有超疏液的性質。受此啟發，湖南大學王兆龍助理教授、段輝高教授與上海交通大學鄭平院士合作，基于面投影微立體光刻3D打印技術制備了具有微蘑菇結構陣列的超疏水表面，液滴在該表面的接觸角達到了171°，并且展現花瓣效應。

圖1 仿生超疏水結構的設計及制備（A-C）彈尾蟲光鏡圖及其表皮結構的掃描電子顯微鏡圖（D-E）面投影微立體光刻3D打印技術原理圖（F-H）3D打印平板、圓柱以及微蘑菇結構的的浸潤性對比（I）花瓣效應

通過工藝參數優化，該團隊通過精準調控微結構的尺寸和間隙等物理特征參數對表面的浸潤性實現了可控調節，液滴在其表面上的接觸角可以從55°~171°變化。并且通過控制微蘑菇的高度有效調控表面與水滴的粘附力在71uN~99uN之間變化。

圖2. 通過精確控制微蘑菇的莖的直徑（d）、高度（h），蘑菇頭的直徑（D）、高度（H）以及相鄰蘑菇的間隙（G）可控調節表面的潤濕性。

圖3. 3D打印制備的超疏水微蘑菇結構應用于（A）微液滴化學反應（C）液滴無損轉移(D-F)液滴的可控融合(B)不同結構表面對水滴的粘附力

在此基礎上，團隊利用制備的仿生超疏水表面實現了微液滴的定向轉移和可控融合，搭建了可用于微液滴化學反應的反應臺。相關研究成果在生物醫療、分析化學以及微流控等領域具有重要的應用前景。

相關成果以題為3D-Printed Bioinspired Cassie–Baxter Wettability for Controllable Micro-droplet Manipulation的論文發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。其中論文的第一作者為湖南大學機械與運載工程學院碩士生尹球，共同第一作者為上海交通大學博士生郭晴以及湖南大學王兆龍助理教授，共同通訊作者為湖南大學王兆龍助理教授、段輝高教授及上海交通大學鄭平院士。

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c18952

來源：高分子科技