西南科大 JMCA：在仿雪花图案多功能用于微液滴操控研究方面取得进展

2023-04-15 来源：高分子科技

近日，西南科大制造学院制造过程测试技术教育部重点实验室微纳仿生制造团队提出了一种具有双定向润湿性的多功能雪花图案界面用于高效、精准的次序微液滴操控的方法，并以“Sequence liquid manipulation on a multifunctional snowflake-patterned interface with dual unidirectional wettability”为题，发表在国际著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》（SCI一区，IF：14.511）上。制造学院机械工程2020级硕士生吴威明为论文的第一作者，通讯作者为制造学院机械工程学科李国强教授，南开大学曹墨源教授以及中南大学银恺教授。

微流控器件在雾水收集、化学微反应、生物医学分析等方面具有重要的应用前景。微滴操控技术目前在众多研究领域已经取得了重大的进展，利用仿生几何结构和润湿性机制以实现液体的高效驱动模式已受到研究人员的广泛关注。相关研究人员在微液滴驱动的操控方式、界面材料、传输性能以及功能性应用等方面进行了大量的研究，取得了巨大的进展。虽然目前的研究已经实现了非对称结构液滴的定向输运，但在复杂环境中实现高效、适应性强的连续微液滴运输仍存在一定的挑战。此外，多仿生机制协同策略实现液滴的精准次序操控，更是鲜为研究。

针对这一难题，受雪花的多级分形结构启发，结合仙人掌锥刺的几何不对称结构和穿孔荷叶的润湿性梯度定向液滴运输的灵感，提出了一种基于飞秒激光制备的多功能雪花状图案化界面（MSPI）用于次序微液滴操控。由于双不对称机制的协同作用，该界面能够以双重定向路径实现液滴的运输，即第一阶段液滴在图案表面的定向运输和第二阶段液滴在微锥孔阵列上不可逆的穿透，同时实现了液滴从限域亲水图案向非限域超亲水表面的定向运输。液滴双定向运输的实现主要归结于第一步的图案表面运输为第二步的定向穿透储存了足够的表面能量。

对多功能雪花状图案化界面的液滴运输性能进行探讨分析，深入研究了液滴在界面的两步次序运输行为，对液滴在平放、倾斜以及倒置的界面运输进行了性能分析。结果表明，在水平界面上完成次序运输过程仅需要0.54 s，即使在倒置的姿态下完成连续10次的逆重力液滴运输仅耗时33.64 s，证明了多功能雪花状图案化界面良好的液滴运输性能。此外，通过乙醇水溶液互溶配比了不同表面张力的液体，研究了不同表面张力液体在润湿性不对称楔形通道上的运输性能，得出结论：液滴表面张力增大的过程中，其在楔形槽上的运输速度也呈增大趋势。

为了探索该界面的功能化应用潜力，创造性地设计开发了基于MSPI的两种新应用。在微化学领域，实现了两种微液滴的精准化学反应和固液分离；多功能雪花状图案化界面的结构优势也被证明具有良好的集雾效应与定点浇灌能力，可以精准地为雾环境中的植物提供直接的水资源。

本研究为多机制协同策略实现液滴操控开发了有益平台，为复杂应用环境下的液滴操控提供了一种自适应、高效的方法，在环境、健康、能源等应用领域具有重要学术价值。审稿人认为这项工作提出了一种新颖的方法，结合了雪花，仙人掌刺几何结构和荷叶润湿特性的表面功能化，所设计的功能化结构对于一些重要领域的应用具有一定的指导意义。本课题将前沿的仿生设计理念与尖端的微纳精密制造技术相结合，致力于微液滴运输收集效率低与应用功能局限等难题的解决，选题体现了基础研究应面向环境能源等领域需求、坚持“问题导向”的原则，体现了材料学、流体力学、纳米技术等多学科交叉、融合等特点和特色。

微纳仿生制造团队成立于2017年，团队秉持“严谨、高效、卓越、创新”的科研精神，坚持以“认同理念、服从管理”为基本原则，实行“科学、协作、卓越”的运作和管理机制。自成立以来，该团队一直致力于超快激光微纳精密制造和超精密3D/4D打印技术的基础研究与应用研究，旨在开发微纳功能结构、芯片、器件及集成系统，为能源、环境、健康等重点领域服务。近年来，该团队报道了一系列高水平研究成果，主要包括：具有不对称孔隙率和减阻特性的高性能马兰戈尼水凝胶转子（Nat. Commun.,2023, 14, 1, 1928），水平振动模式高性能微滴定向驱动（Adv. Mater., 2020， 2005039），跨气-液界面微油滴高效精准操控（Adv. Funct. Mater., 2022, 2201035），飞秒激光诱导自生长蘑菇头凹角结构微柱（Nano Lett., 2021, 21, 9301-9309; ACS Nano 2022, 16, 2730-2740），激光3D打印和飞秒激光直写构筑仿鱼骨微液滴多相分流器、仿荻草叶保水功能“即插即用”式高效集水灌溉装置（J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 9719; J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 5630; Nano-Micro Lett., 2022, 14:97），精密3D打印构建仿生麦芒分级系统用于高效雾水收集、受蚊眼启发的激光织构化仿生多功用玻璃（Chem. Eng. J. 2020, 125139; Chem. Eng. J. 2021, 129113），用于微样分析的仿生微滴操控器研究（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 14741-14751）等60余篇。这些具有前瞻性和创造性的研究成果在引领机械工程领域前沿发展方向、鼓励基础理论创新、发现和培养高质量人才等方面发挥了重要的导向作用。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D3TA01120H

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（责任编辑：xu）

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