技術(shù)文章
Technical articles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,在研究者的傳統(tǒng)認知中,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,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。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,但其傳輸方向是一致的。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,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,實現(xiàn)了同一表面上流體的自主擇向。然而,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),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),不利于實際應(yīng)用。因此,進一步簡化結(jié)構(gòu)和制備工藝,同時保持液體擇向的功能尤為重要。近期,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,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),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,并為流體操控的廣泛應(yīng)用提供了新思路。
\ 關(guān)鍵詞 /
液體鋪展;懸垂鋸齒;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;
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。
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,例如油水分離、集水、熱管理及微流控等。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,例如沙漠甲蟲的背部、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)。近年來,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。無一例外,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)。最新研究表明,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,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。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,不可避免地會產(chǎn)生微槽狀粗糙結(jié)構(gòu),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),如圖1所示。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),微觀上,整個結(jié)構(gòu)表面覆有周期性排列的微米級槽,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。
圖1 (a)數(shù)字光處理3D打印裝置示意圖;(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,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;(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。
當將本征接觸角約為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,液體沿著結(jié)構(gòu)傾斜的方向向前鋪展,而當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,液體沿著與結(jié)構(gòu)傾斜相反的方向向后鋪展(圖2),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??傮w上,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,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。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。當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,因此鋪展動態(tài)主要由宏觀結(jié)構(gòu)決定,而當液體的接觸角過小時,液體鋪展得太快以至于完。全覆蓋了結(jié)構(gòu),最終在兩個表面上均表現(xiàn)為雙向鋪展。
圖3 (a,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。
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)。當微槽排列方向垂直于鋸齒傾斜方向時,階梯狀的微槽可被視為延遲閥以減緩液體向后的鋪展,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,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。端之間作用力的競爭。與之相對地,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,因此相對于垂直于鋸齒傾斜方向的微槽,這種取向的微槽更有利于液體向后鋪展。
圖4 (a,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。(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,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)。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,液滴鋪展得更快更遠,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)、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,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,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。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,如向材料中添加功能性或響應(yīng)性的成分。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,因此,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。