北理工陳少華教授、劉明博士后《CHEM ENG J》：液滴無(wú)損轉(zhuǎn)移仿生功能表面的設(shè)計(jì)與制備

來(lái)源：PuSL摩方高精密3D打印

液滴的高效抓取和無(wú)損釋放在醫(yī)學(xué)中的藥物融合或靶向轉(zhuǎn)移、冷凝器表面或芯片實(shí)驗(yàn)室熱耗散等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。目前，液滴轉(zhuǎn)移往往由兩個(gè)具有不同粘附性的表面去實(shí)現(xiàn)，即將液滴從低粘附浸潤(rùn)表面轉(zhuǎn)移至高粘附浸潤(rùn)表面，且液滴的無(wú)損、自由釋放較難實(shí)現(xiàn)。

最近，北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院陳少華、劉明課題組設(shè)計(jì)并制備了一種新型的多級(jí)微結(jié)構(gòu)仿生功能表面，可利用同一表面實(shí)現(xiàn)液滴的高效抓取和無(wú)損釋放。該表面由磁顆粒填充的微尺度平板陣列結(jié)構(gòu)組成，微平板尺寸為5mm×0.12mm×1mm，每個(gè)微平板左右兩側(cè)分別分布有尺寸為60μm×60μm×50μm的矩形凹槽陣列結(jié)構(gòu)和尺寸為0.1mm×0.05 mm×1mm的矩形條帶陣列結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該研究首先使用精度為10μm的3D打印機(jī)（nanoArch S140，摩方精密）制備實(shí)驗(yàn)?zāi)０�，再結(jié)合倒模法制備出具有磁響應(yīng)特性的多級(jí)微結(jié)構(gòu)陣列表面。

圖1 微平板陣列功能表面的 (a)結(jié)構(gòu)示意圖及其(b)實(shí)驗(yàn)制備簡(jiǎn)圖

磁場(chǎng)作用下，操控微平板產(chǎn)生定量的彎曲大變形，使含矩形凹槽陣列的表面完全暴露，其粘附力高達(dá)252μN(yùn)，接觸角為151o，呈現(xiàn)類(lèi)似玫瑰花瓣的高粘附浸潤(rùn)特性，可有效抓取體積較大的液滴；旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使其形變恢復(fù)，表面粘附力降低至57μN(yùn)，呈現(xiàn)類(lèi)似荷葉的低粘附浸潤(rùn)特性。進(jìn)一步對(duì)微平板陣列結(jié)構(gòu)的幾何特征參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合表面在類(lèi)玫瑰花瓣高粘附狀態(tài)和類(lèi)荷葉低粘附狀態(tài)之間自由切換的特性，可將此多級(jí)仿生表面有效地作為液滴無(wú)損轉(zhuǎn)移的“機(jī)械手”，液滴無(wú)損釋放及其轉(zhuǎn)移過(guò)程見(jiàn)圖2-3所示。

圖2液滴的無(wú)損、自由釋放行為

圖3 液滴無(wú)損轉(zhuǎn)移過(guò)程

該成果以“Amechanical hand-like functional surface capable of effciently grasping andnon-destructively releasing droplets”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Chemical Engineering Journal (IF = 13.273，中科院工程技術(shù)類(lèi)分區(qū)一區(qū))上。北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院和機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院博士后劉明為文章第一作者，陳少華教授為通訊作者，彭志龍教授、姚寅副教授和博士研究生李程浩參與了該工作，此工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（No.12032004, 11872114, 12102041）和中國(guó)博士后科學(xué)基金（No. 2021M690401）的支持與資助。

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