上海交大《ACS AMI》：通過3D打印制備大尺寸蘑菇狀柔性超疏水仿生微結(jié)構(gòu)

來源：PuSL高精密3D打印  

近日，上海交大機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院胡松濤副教授課題組設(shè)計(jì)并制備了具備機(jī)械強(qiáng)度的柔性超疏水仿生微結(jié)構(gòu)，兼具抗液性與耐磨性，相關(guān)研究成果在機(jī)械裝備抗液防冰等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。該成果以“Biomimetic Water-Repelling Surfaces with Robustly Flexible Structures”為題發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊。

現(xiàn)有的面向低溫沖擊液滴的超疏水界面工作遵循剛性和柔性兩類設(shè)計(jì)原則，可有效縮短固液接觸時(shí)間，但受限于苛刻的固液沖擊定位要求。研究團(tuán)隊(duì)在之前工作中，借鑒跳蟲胸殼的蘑菇狀仿生結(jié)構(gòu)來抵抗沖擊液滴，但將底部立柱狀剛性支撐替換為彈簧狀柔性支撐來調(diào)整結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能，形成了“類皮膚-肌肉”柔性超疏水界面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想。該結(jié)構(gòu)被證實(shí)可消除界面潤濕性能對液滴沖擊定位的依賴，但受限于弱機(jī)械強(qiáng)度。因此，研究團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了柔性微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成了由剛性平板和柔性彈簧組所構(gòu)成的大尺寸蘑菇狀超疏水仿生微結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)采用面投影微立體光刻3D打印技術(shù)（nanoArch S140，摩方精密）高效、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)了上述界面設(shè)計(jì)的樣機(jī)制備。

△界面設(shè)計(jì)與制備（蘑菇平板陣列，寬度2800μm，厚度100μm，間隔200μm；彈簧支柱：自由高度2000μm，中徑500μm，線徑90μm，線圈數(shù)8個(gè)）

柔性蘑菇狀超疏水仿生界面結(jié)構(gòu)被證明可承受常規(guī)的法向擠壓和水平剪切行為；在實(shí)際摩擦行為中，較剛性結(jié)構(gòu)有更好的耐磨性。

△界面機(jī)械強(qiáng)度

柔性蘑菇狀超疏水仿生界面結(jié)構(gòu)被證實(shí)可以通過觸發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)來縮短固液接觸時(shí)間。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)指出液滴在沖擊結(jié)構(gòu)自身與相鄰結(jié)構(gòu)間隙時(shí)存在明顯差異，揭示了內(nèi)在力學(xué)機(jī)理，并應(yīng)用于抵抗液滴的斜向沖擊。

△固液接觸時(shí)間與力學(xué)機(jī)理

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Andrew J. deMello教授課題組、英國帝國理工學(xué)院Daniele Dini教授課題組和寧波大學(xué)李錦棒助理教授課題組為合作單位。工作得到國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金、中國科協(xié)青年托舉工程、機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)自主課題的支持。

原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c10157