使用摩方精密微立體光刻3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)用于階梯提升仿蒸騰作用的仿生微通道

來(lái)源：極端制造 IJEM

由湖南大學(xué)王兆龍副教授，上海交通大學(xué)鄭平院士，東南大學(xué)陳永平教授和中科院理化所董智超研究員組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發(fā)表題為《Bionic microchannels for step lifting transpiration》的研究文章。研究人員設(shè)計(jì)了用于仿蒸騰作用的低碳功能器件用于清潔水生產(chǎn)，并采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法研究了任意截面形狀仿生微通道尖角引起的強(qiáng)前驅(qū)效應(yīng)。最重要的是該團(tuán)隊(duì)使用基于微立體光刻3D打印技術(shù)（nanoArch P140，摩方精密）首次實(shí)現(xiàn)了任意截面、極小尺寸仿生微流控器件的亞十微米精度極端制造。

圖1 仿生異形微通道加工及液體輸運(yùn)能力。

自然界的樹(shù)木可以將液體從地下根部輸運(yùn)到100多米高的葉片，展現(xiàn)出了非凡的無(wú)動(dòng)力水體輸運(yùn)能力。然而，具有長(zhǎng)距離液體輸運(yùn)能力的微通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與加工仍是阻礙微流控器件發(fā)展的一大挑戰(zhàn)。因此，本項(xiàng)工作受到自然界樹(shù)木內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，利用面投影微立體光刻技術(shù)加工出具有任意橫截面的仿生微通道。通過(guò)構(gòu)建不同形狀（五邊形、正方形、三角形和五角星形）及不同尺寸（200-900 μm）的仿生微通道,利用毛細(xì)通道尖角極強(qiáng)的邊界效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了極強(qiáng)的微流體輸運(yùn)能力（圖1）。同時(shí)，我們也對(duì)不同形狀、不同直徑、不同傾角的仿生微通道的輸液能力進(jìn)行了仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具體結(jié)果如圖2所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著微通道直徑的增大，液體的輸運(yùn)高度會(huì)逐漸降低，五角星形的毛細(xì)通道因?yàn)槠浼饨翘帾?dú)特的邊界前驅(qū)效應(yīng)，輸液能力是所有形狀中最強(qiáng)的，并且隨著五角星形狀傾角的減小使得輸液能力進(jìn)一步提升。

圖2 仿生微通道輸液能力仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了基于仿植物蒸騰作用的微通道臺(tái)階提升與清潔水生產(chǎn)的功能器件應(yīng)用展示。如圖3所示，通過(guò)加工一系列具有平行仿生微通道的階梯結(jié)構(gòu)，基于異形微通道極強(qiáng)的毛細(xì)輸運(yùn)能力可以實(shí)現(xiàn)液體從臺(tái)階底部向頂部的逐階提升。同時(shí)，通過(guò)在臺(tái)階裝置頂部進(jìn)行太陽(yáng)光照射，可以進(jìn)行毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的太陽(yáng)能水蒸發(fā)，單根直徑400 μm的微通道的最大蒸發(fā)速率可以達(dá)到500 mg/h，證明了仿生異形微通道優(yōu)秀的液體輸運(yùn)與太陽(yáng)能水蒸發(fā)能力。這些低成本、高性能的極高精度仿生微通道有望在微流控散熱、細(xì)胞培養(yǎng)、長(zhǎng)距離液體輸運(yùn)、清潔水生產(chǎn)等方面得到廣泛應(yīng)用。

圖3 仿生微通道臺(tái)階提升及太陽(yáng)能水蒸發(fā)應(yīng)用

DOI 10.1088/2631-7990/acbcff