南开曹墨源课题组《Adv. Mater.》：双重不对称超亲水折叠通道上的增强流体收集过程

2023-02-22 来源：高分子科技

自发定向的流体输运过程是动植物实现高效低耗行为的关键之一。例如，沙漠中的德克萨斯角蜥能够利用微尺度排列的鳞片通道主动吸水。猪笼草能够将润滑剂自发运输到瓶口，形成光滑的捕虫界面。向自然界学习，生物启发的流体操控界面被广泛应用于液体收集，多相催化等领域。通过将超亲水表面与折叠结构相整合，南开大学材料科学与工程学院曹墨源课题组仿生构筑了具有双不对称结构的仿贝壳状超亲水开放通道（图1）。所制备的三维双不对称结构的液体通道仅通过毛细力就可以主动捕获包括液滴，大通量液流以及中高温蒸汽在内的多种液体，实现不依赖重力的液体输运和收集。借助仿生双不对称结构和超亲水基底，通道的液体输送能力也得到了极大地提高。此外，将该材料与辐射制冷层进一步结合，研究者设计了一种能够定向收集液体以及辐射制冷的冷凝器，证明了材料的可集成性和多功能性。相关研究论文近期发表于Advanced Materials (2023, 2211596)。

图1：仿贝壳状超亲水折叠通道（S-SLO）的设计思路以及独特的流体输运过程。（a）S-SLO优秀的流体输运性能。（b）S-SLO的液滴定向输运过程，液滴在不对称折叠通道的宽的一端不断滴加，被通道捕获并定向输运到窄端。（c，d）S-SLO的设计方法以及不同表面流体输运过程差异。

为了制备仿贝壳状超亲水折叠通道，研究者首先将未经过修饰的铝箔表面处理为超亲水，之后将其折叠为平行通道，最后再次折叠，将平行通道进一步塑形为扇形不对称通道。在这个过程中，表面和垂直向上喷射的水流的交互过程也在逐渐发生变化，从在未处理的表面直接滴落，转变为在超亲水表面无序铺展，进一步在平行通道中转变为液体的双向扩散，最终在双不对称通道中实现液体的定向输运。当水大量喷射时，超亲水折纸就像一个液体 "黑洞"，水可以从扇形表面的任意位置进入仿贝壳状超亲水折叠通道，但只能从一个点被收集。

图2：平行超亲水折叠通道中的液滴逆重力输运。（a）超亲水通道中的双向铺展。（b）未处理的通道无法实现液体铺展。（c，d）液体在超亲水表面中逆重力铺展的机理。

表面的超亲水性是决定液体能够在平行通道中逆重力铺展的关键。随着连续的液滴注入，超亲水平行通道能将液滴迅速抬升并实现双向铺展。相反，液滴会钉扎在未处理的通道表面，并直接滴落。这是由于液滴在接触超亲水沟道时会迅速形成明显的弯曲液面，弯曲液面带来的毛细力提供了其在通道内铺展的动力。而液滴在未处理的表面的铺展过程中，弯曲液面会逐渐消失，因此丧失了铺展能力。

图3：流体在S-SLO内的定向输运。（a）仿贝壳状超亲水折叠通道（S-SLO）能够引导液体定向输运到扇形的窄端被收集，而平行超亲水折叠通道则不具备这种能力。（b，c）液体在S-SLO内定向输运的机理。（d）不同深度和喷射模式下S-SLO的最大临界通量。（e）不同工作中液体输送通量和初始速度的比较。

不对称结构是单向流体输运的关键因素，通过将平行通道加工为不对称通道，液体的输运方式也从双向转变成为定向。而运动方式发生改变的原因是不对称结构造成了液体在沟道内铺展时所形成的弯曲液面的曲率半径不同，形成的不对称毛细力驱动液体定向不对称通道的输运到窄端。此外，这种仿生超亲水折叠通道不仅实现了液体的定向输运，还能极大地增加了输送能力，最大通量达到1700 ml/h。

图4：蒸汽在S-SLO表面的冷凝性能。（a）捕获的冷凝水会在平行通道上随机滴落，在S-SLO的窄端定点滴落（b）。在引入液体收集器后，捕获的液滴仍然会在平行通道上随机滴落（c），但是能够在S-SLO中被全部收集（d）。（e，f）沟道中存水对冷凝效率的影响。

此外，不依赖重力的液体操纵能力以及材料独特的“液体黑洞”特性为S-SLO拓展了蒸汽收集的应用前景。具有双不对称通道的仿生扇形超亲水折叠通道能将冷凝在表面收集的所有冷凝水定向输运到扇形的窄端并收集。在简化了收集难度的同时，实现了通道内液体的高效排出，有效降低了沟道中蓄积水在冷凝过程中所产生的热阻的影响。

图5：采用辐射制冷层增强冷凝效果。（a，b）基于S-SLO蒸汽收集器的复杂结构设计，包括超亲水涂层，铝箔基底以及ZrC/PDMS涂层。（c）S-SLO的潜在应用领域。（d）含有辐射制冷涂层和未处理的超亲水折叠通道在蒸汽收集过程中的对比。（e）蒸汽收集效率对比。（f）有无ZrC涂层在蒸汽收集过程中的温度比较。（g）COMSOL Multiphysics模拟。

为进一步验证S-SLO的可整合性，研究人员在蒸汽冷凝的基础上在材料上表面修饰了超疏水ZrC/PDMS涂层，通过热辐射的方式进一步增强表面散热能力，提升冷凝效率。通过对比冷凝水的收集效率表明了这种多层次S-SLO结构在收集蒸汽上具有潜在应用价值。本项工作旨在设计具有连续自发、高适应性、可靠输运能力的流体操控界面，希望为蒸汽收集、流体输运、节能减排等领域的发展提供新思路。

本工作受到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、南开大学科研启动经费、物质绿色创造与制造海河实验室的资助。文章第一作者为博士生研究生白浩宇，曹墨源特聘研究员为通讯作者。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202211596

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（责任编辑：xu）

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