香港城市大學(xué)研究人員使用3D打印宏觀棘輪來控制流體

2023年5月13日，南極熊獲悉，來自香港城市大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種通過3D打印宏觀棘輪來調(diào)節(jié)表面液體擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的新方法，該方法可實(shí)現(xiàn)有選擇性地改變液體的擴(kuò)散方向。

實(shí)現(xiàn)液體的良好控制方向轉(zhuǎn)向?qū)τ诨�礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用（例如微流體、生物醫(yī)學(xué)和熱管理）都具有重要意義。傳統(tǒng)上，人們認(rèn)為液體的擴(kuò)散方向完全由表面設(shè)計(jì)決定，無法定制。這項(xiàng)新的研究通過證明具有不同表面張力的液體可以在同一個(gè)表面上選擇它們的擴(kuò)散方向而對(duì)這一概念提出挑戰(zhàn)。

這項(xiàng)研究以題為“Selective liquid directionalsteering enabled by dual-scale reentrant ratchets/由雙刻度重入棘輪實(shí)現(xiàn)的選擇性液體定向轉(zhuǎn)向”的論文被發(fā)表在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上。

相關(guān)論文鏈接 ：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/acccbc

研究亮點(diǎn)

• 開發(fā)了一種由周期性排列的雙刻度折返棘輪組成的新表面，以實(shí)現(xiàn)液體定向轉(zhuǎn)向，這是通過簡單的3D打印工藝制造的，消除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中物理或化學(xué)后處理的必要性。
• 有別于需要消除3D打印過程中產(chǎn)生的微槽狀表面缺陷的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，我們利用逐層打印特性制造了具有可調(diào)多尺度形貌的折入棘輪，為開發(fā)多功能分層結(jié)構(gòu)提供了新的見解。
• 發(fā)現(xiàn)雙尺度折返棘輪的微槽可以促進(jìn)或延遲液體的局部流動(dòng)，其調(diào)整甚至可以使液體選擇不同的路徑。
  

3D打印宏觀棘輪

香港城市大學(xué)最新的進(jìn)展允許不同表面張力的液體在由具有雙重入曲率的宏觀棘輪組成的同一表面上選擇它們的擴(kuò)散方向。實(shí)現(xiàn)這種定制的關(guān)鍵在于使用了具有雙重入曲率的 3D 宏觀棘輪。這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以使用 3D 打印制造，但逐層打印過程會(huì)引入類似微槽的表面缺陷。以前的方法需要額外的拋光處理來消除這些缺陷，增加了復(fù)雜性并限制了實(shí)際應(yīng)用。

3D 打印的宏觀棘輪（頂部）和層線（底部）。（圖片來源：Jing Sun 等）

在這項(xiàng)研究中，研究人員采用了不同的方法。他們沒有消除表面缺陷，而是利用它們來調(diào)節(jié)液體的擴(kuò)散相圖。通過設(shè)計(jì)帶有微槽的簡化雙刻度棘輪，他們能夠?qū)崿F(xiàn)類似于自然現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)的液體定向轉(zhuǎn)向。

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，微槽的方向在調(diào)節(jié)具有適度潤濕性的液體中起著至關(guān)重要的作用。

香港理工大學(xué)機(jī)械工程系研究員 Zuankai Wang 表示：“它提供了一種易于制造或復(fù)制的新表面設(shè)計(jì)，同時(shí)不會(huì)犧牲液體定向轉(zhuǎn)向的功能。垂直于棘輪傾斜方向排列的微槽用作延遲閥，以減緩液體在棘輪側(cè)表面的擴(kuò)散，而平行于棘輪傾斜方向的微槽會(huì)由于毛細(xì)管芯吸作用促進(jìn)液體擴(kuò)散，因此后者更有利于液體的后向擴(kuò)散�！�

雙刻度重入棘輪的設(shè)計(jì)和制造。(a) 基于數(shù)字光處理的 3D 打印設(shè)置示意圖。(b) 可重入棘輪的俯視和側(cè)視掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。(c, d) 具有微槽的重入棘輪的 SEM 圖像，分別垂直和平行于棘輪傾斜方向排列。

液體擴(kuò)撒

這項(xiàng)研究的結(jié)果挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)思維，并為設(shè)計(jì)和制造能夠精確控制液體擴(kuò)散的表面開辟了新的可能性。研究人員現(xiàn)在正在更深入地研究液-固相互作用的機(jī)制，并探索通過將不同成分融入材料中可以實(shí)現(xiàn)的其他功能。

帶有垂直和平行微槽的棘輪上的液體擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。(a)、(b) 水/乙醇混合物（乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)f = 0.09）的快照在具有垂直微槽的棘輪上向前傳播，在具有平行微槽的棘輪上向后傳播。(c)傳播距離X隨時(shí)間t的變化，其中X的正值和負(fù)值分別表示向前和向后傳播。(d) 相圖，分別描繪了液體在具有垂直和平行微槽的棘輪上的擴(kuò)散方向�？偟膩碚f，具有θ 的液體從 ∼40° 到 60° 的范圍在這兩種表面上表現(xiàn)出不同的擴(kuò)散方向，如紅色區(qū)域突出顯示的那樣。

這項(xiàng)研究展示了如何利用看似不需要的表面缺陷來創(chuàng)造功能性表面，變廢為寶。通過擁抱和理解微型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，工程師可以在各個(gè)領(lǐng)域開啟新的應(yīng)用，包括油水分離、集水、熱管理、微流體、先進(jìn)制造和仿生學(xué)。

Wang表示：“我們所知道的只是冰山一角，可以采用更先進(jìn)的可視化工具來揭示液體和固體結(jié)構(gòu)如何在微觀尺度上相互作用，或者我們甚至可以通過向材料中添加不同的成分來引入其他功能�！�

液體動(dòng)力學(xué)研究的可能性是巨大的，進(jìn)一步的研究無疑將揭示更多關(guān)于這些創(chuàng)新的液體操作方法的潛力。