我校首次在跨气—液界面微油滴高效精准操控研究中取得重要进展

近日，我校制造过程测试技术教育部重点实验室微纳仿生系统与智能化团队提出一种多仿生槽锥刺结构用于复杂环境下低表面张力液滴的精准高效操控与收集方法,并以“Directional and adaptive oil self-transport on a multi-bioinspired grooved conical spine”为题，发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（SCI一区Top，Nature Index期刊，IF：18.808）上。我校制造科学与工程学院机械工程2019级硕士生李耀霞和中国科学技术大学精密仪器科学与技术专业2021级博士生崔泽航（系我校机械工程本科2014级，机械工程硕士2018级学生）为论文的共同第一作者，通讯作者为制造学院机械工程学科李国强教授和天津大学曹墨源教授。

复杂环境下的低表面能液滴的能源、环境和健康等领域具有重要的应用价值，是当前研究的热点。操控的效率和精度问题是制约我国精细化工、生物医学、药物提纯、污染治理等行业可持续发展的瓶颈。具有液体靶向运输控制功能仿生结构表面设计的提出，为微滴操控提供了一种能耗更低、制备工艺更简单的解决策略。目前实现基底表面液滴智能运输主要依赖于材料润湿性梯度和结构的不对称性，且相关研究均集中于水处理。油等低表面能液滴的低接触角滞后和接触线滑移使其相比水的运动路径更难控制，尽管具有亲油表面的传统圆锥形结构可以实现微油滴的自运输，但复杂环境下的实用性、大容量自发连续低表面张力微液滴输送系统是亟待解决的行业难题与挑战。如何突破现有微滴操控非对称性结构的功能局限，实现微油滴气-液界面跨相输运和提取的操控，更是鲜有研究。

针对这一难题，受低表面张力微滴导向功能的鱼刺和具有各向异性凹槽结构定向驱动液滴滑动的水稻叶的启发，利用精密3D打印技术制备了一种多仿生槽锥刺结枌/span>BGCS)实现复杂环境下油滴的逆重力高效运输与收集。在非对称拉普拉斯压力和表面毛细力的协同作用下，所设计的2-BGCS结构具备在水下、空气甚至跨气-液两相界面超快、连续传输油滴的功能，运输速度最高可达70.2 mm/s。与传统圆锥形结构相比，倾斜角20°时，2-BGCS结构的输送速度提高9倍。在逆重力传输油滴时，2-BGCS结构能够提升超过22 μL的重油滴，通量提升5倍，极大地改善了圆锥结构的功能与性能，且具有输运大体积油滴的潜力。

该研究为复杂环境下的油滴从输送到收集提供了新理论和新方法，对我国精细化工、生物医学、药物提纯、污染治理等行业可持续发展具有重要的战略意义。本项目将前沿的仿生设计理念与尖端的微纳精密制造技术相结合，致力于低表面张力液滴精准高效操控难题的解决，体现了基础研究应面向国家重大战略需求、坚持“问题导向”的原则，体现了多学科交叉融合的特点。

微纳仿生系统与智能化团队一直致力于超快激光微纳精密制造和超精密3D/4D打印制造的基础研究与应用研究，以开发微纳功能结构、芯片、器件及集成系统为目标，服务于能源、环境、健康等重点领域。近年来，该团队一系列高水平研究成果获得广泛报道，包括水平振动模式高性能微滴定向驱动（Adv. Mater., 2020，2005039），飞秒激光诱导自生长蘑菇头凹角结构微柱（Nano Lett., 2021, 21, 9301−9309; ACS Nano 2022, 16, 2730-2740），激光3D打印和飞秒激光直写构筑仿鱼骨微液滴多相分流器、仿荻草叶保水功能“即插即用”式高效集水灌溉装置（J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 9719; J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 5630; Nano-Micro Lett., 2022,14:97），精密3D打印构建仿生麦芒分级系统用于高效雾水收集、受蚊眼启发的激光织构化仿生多功用玻璃（Chem. Eng. J,2020.125139;Chem. Eng. J, 2021.129113），一种用于微样分析的仿生微滴操控器（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 14741−14751）等40余篇。这些重要成果反映了我校机械工程学科在科学研究和人才培养等方面的新成就。

该研究受到国防科工局“十四五”基础科研计划项目、装备预研领域基金项目、国家自然科学基金项目、四川省科技创新基金等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.2022‍01035

【往期回顾】

文 | 周英姿 邓淇月

编辑 | 黄霞 李紫薇 

责任编辑 | 王娟