仿猪笼草口缘区液体单方向铺展搬运表面技术研究取得新进展
Time: 2017-03-03 05:24  Click:502

    由于液体定向运动在雾气采集、过滤和微流体等领域中具有重要应用价值,受到了国内外科学界的广泛关注。近年,从自然生物中发现了很多优异集水搬运策略,例如一维针状结构(蜘蛛丝,仙人掌刺等)集水、沙漠甲虫背壳表面集水。

 

图1基于猪笼草口缘区的仿生液体单方向铺展表面

 

    北京航空航天大学陈华伟教授、张德远教授与中科院理化所江雷院士组成的研究团队表征了猪笼草口缘区微观结构特征,首次发现其上液膜单方向搬运的神奇现象(Nature2016,532, 85-89.)。由于该结构由两级微沟槽组成,在每条二级沟槽中还连续分布着鸭嘴状楔形孔阵列结构,且有着弧形外轮廓,使得这种复杂多级微纳结构的仿生制造极为困难。最近,陈华伟教授课题组利用仿生设计制造方法,提取出猪笼草表面的典型特征结构,即弧形外轮廓和楔形孔,创新性地将斜坡曝光与二次曝光光刻技术相结合,成功设计制造出了液体单方向铺展搬运仿生表面,完善了单方向铺展搬运表面技术体系。该研究结果作为超浸润表面技术新分支,近期发表于《Small》超浸润表面技术专刊上,被选为当期封面文章。(Small2017, 13, 1601676.

 

图2液体单方向铺展搬运表面制造方法

 

    仿生液体单方向铺展搬运表面制作包含两步光刻工艺。第一步通过斜坡曝光制作出密排倾斜微坑阵列(图2a),通过调节曝光角度来改变微坑倾斜角度。第二步在密排微坑阵列上再次匀胶,通过二次曝光制备出微沟槽,从而得到液单方向铺展搬运仿生表面(图2b)。

 

图3结构特征对液体铺展搬运的影响规律

 

    通过改变典型特征结构参数即外轮廓弧形、倾斜角度大小制备出了不同仿生表面,液体铺展搬运对比实验也证实了:外轮廓弧形、倾斜角度对正向铺展搬运、反向阻滞性能均可产生显著影响,弧形和倾斜角度越大,单方向铺展搬运能力越强,也只有将倾斜微坑外轮廓设计成弧形才可能实现完美的液体单方向铺展搬运(图3)。并基于Taylor毛细升理论,该论文进一步建立了理论分析模型,从正向铺展搬运、反向阻滞效应两方面分别分析了各典型结构特征的影响规律。

 

    该研究提供了液体单方向铺展搬运表面的仿生设计制造方法,实现了液体无动力快速搬运、长距离搬运,在工程技术领域具有极其重要的应用价值,如微流体、药物输送、机械自润滑等。

 

    论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201770017/full

 
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