湖南大學王兆龍課題組《ACS AMI》：3D打印制備仿生超疏水微結(jié)構(gòu)用于微液滴操縱

來源：高分子科技

自然界中的生物體為了能夠很好地適應(yīng)外界環(huán)境，在不斷進化中擁有了自己獨特的能力。早在宋代就有詩詞“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”，這其中描述的是“荷葉效應(yīng)”——荷葉表面由于具有特殊排列的微納米結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出對水的排斥，這種現(xiàn)象被稱為超疏水現(xiàn)象。由于具有超疏水結(jié)構(gòu)的表面在自清潔、抗腐蝕、流動減阻、油/水分離、微反應(yīng)器和液滴操縱等領(lǐng)域具有較強的應(yīng)用潛力。因此，通過“師法自然”的方法來設(shè)計并且制備出具有超疏水結(jié)構(gòu)的仿生表面發(fā)展迅速�？蒲泄ぷ髡邆円呀�(jīng)研究開發(fā)了許多制取具有超疏水性質(zhì)的表面的方法，然而想精確制備具有復(fù)雜形狀的仿生微結(jié)構(gòu)的方法卻不容易，并且通過單獨控制微結(jié)構(gòu)的尺寸來精確控制表面的親疏水性質(zhì)也極其重要。

彈尾蟲是一種依靠皮膚進行呼吸的節(jié)肢類昆蟲，喜愛生活在陰暗潮濕的環(huán)境中，為了適應(yīng)環(huán)境，彈尾蟲在長期的進化中在表皮逐漸形成了微蘑菇結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得彈尾蟲具有超疏液的性質(zhì)。受此啟發(fā)，湖南大學王兆龍助理教授、段輝高教授與上海交通大學鄭平院士合作，基于面投影微立體光刻3D打印技術(shù)制備了具有微蘑菇結(jié)構(gòu)陣列的超疏水表面，液滴在該表面的接觸角達到了171°，并且展現(xiàn)花瓣效應(yīng)。

圖1 仿生超疏水結(jié)構(gòu)的設(shè)計及制備（A-C）彈尾蟲光鏡圖及其表皮結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖（D-E）面投影微立體光刻3D打印技術(shù)原理圖（F-H）3D打印平板、圓柱以及微蘑菇結(jié)構(gòu)的的浸潤性對比（I）花瓣效應(yīng)

通過工藝參數(shù)優(yōu)化，該團隊通過精準調(diào)控微結(jié)構(gòu)的尺寸和間隙等物理特征參數(shù)對表面的浸潤性實現(xiàn)了可控調(diào)節(jié)，液滴在其表面上的接觸角可以從55°~171°變化。并且通過控制微蘑菇的高度有效調(diào)控表面與水滴的粘附力在71uN~99uN之間變化。

圖2. 通過精確控制微蘑菇的莖的直徑（d）、高度（h），蘑菇頭的直徑（D）、高度（H）以及相鄰蘑菇的間隙（G）可控調(diào)節(jié)表面的潤濕性。

圖3. 3D打印制備的超疏水微蘑菇結(jié)構(gòu)應(yīng)用于（A）微液滴化學反應(yīng)（C）液滴無損轉(zhuǎn)移(D-F)液滴的可控融合(B)不同結(jié)構(gòu)表面對水滴的粘附力

在此基礎(chǔ)上，團隊利用制備的仿生超疏水表面實現(xiàn)了微液滴的定向轉(zhuǎn)移和可控融合，搭建了可用于微液滴化學反應(yīng)的反應(yīng)臺。相關(guān)研究成果在生物醫(yī)療、分析化學以及微流控等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

相關(guān)成果以題為3D-Printed Bioinspired Cassie–Baxter Wettability for Controllable Micro-droplet Manipulation的論文發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。其中論文的第一作者為湖南大學機械與運載工程學院碩士生尹球，共同第一作者為上海交通大學博士生郭晴以及湖南大學王兆龍助理教授，共同通訊作者為湖南大學王兆龍助理教授、段輝高教授及上海交通大學鄭平院士。

原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c18952