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

來源：極端制造 IJEM

由湖南大學王兆龍副教授，上海交通大學鄭平院士，東南大學陳永平教授和中科院理化所董智超研究員組成的聯(lián)合團隊在《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)，并采用實驗和數(shù)值計算方法研究了任意截面形狀仿生微通道尖角引起的強前驅(qū)效應(yīng)。最重要的是該團隊使用基于微立體光刻3D打印技術(shù)（nanoArch P140，摩方精密）首次實現(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能力。

自然界的樹木可以將液體從地下根部輸運到100多米高的葉片，展現(xiàn)出了非凡的無動力水體輸運能力。然而，具有長距離液體輸運能力的微通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計與加工仍是阻礙微流控器件發(fā)展的一大挑戰(zhàn)。因此，本項工作受到自然界樹木內(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,利用毛細通道尖角極強的邊界效應(yīng)，實現(xiàn)了極強的微流體輸運能力（圖1）。同時，我們也對不同形狀、不同直徑、不同傾角的仿生微通道的輸液能力進行了仿真計算與實驗驗證，具體結(jié)果如圖2所示。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著微通道直徑的增大，液體的輸運高度會逐漸降低，五角星形的毛細通道因為其尖角處獨特的邊界前驅(qū)效應(yīng)，輸液能力是所有形狀中最強的，并且隨著五角星形狀傾角的減小使得輸液能力進一步提升。

圖2 仿生微通道輸液能力仿真計算與實驗驗證。

同時，團隊還實現(xiàn)了基于仿植物蒸騰作用的微通道臺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的毛細輸運能力可以實現(xiàn)液體從臺階底部向頂部的逐階提升。同時，通過在臺階裝置頂部進行太陽光照射，可以進行毛細力驅(qū)動的太陽能水蒸發(fā)，單根直徑400 μm的微通道的最大蒸發(fā)速率可以達到500 mg/h，證明了仿生異形微通道優(yōu)秀的液體輸運與太陽能水蒸發(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、細胞培養(yǎng)、長距離液體輸運、清潔水生產(chǎn)等方面得到廣泛應(yīng)用。

圖3 仿生微通道臺階提升及太陽能水蒸發(fā)應(yīng)用

DOI 10.1088/2631-7990/acbcff