液滴的自發(fā)定向輸運在芯片實驗室,、能源電力系統(tǒng)、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(xiàn)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(xiàn)快速,、長程的液滴自發(fā)定向輸運的有效方法,。然而，傳統(tǒng)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(fā),，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(xiàn)了快速,、長程的液滴自發(fā)定向輸運。該研究以“Tip-inducedflipping of droplets on Janus pillars: from local reconfiguration to globaltransport"為題發(fā)表在國際頂級期刊《ScienceAdvances》上,，為液滴的定向輸運領域的發(fā)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(xiàn)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(guī)模制備（圖2）。
圖3 仿松針多級非對稱結構表面微液滴自發(fā)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)能量大于坐落于曲面上的系統(tǒng)能量,，從而揭示了液滴從平面向曲面運動的機理。研究者發(fā)現(xiàn)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/
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