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通过柔性微结构增强了拒液性

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-13 】 点击次数:
可以排斥液体的人造表面在科学和工业平台上引起了广泛的关注,以创造出功能性的拓扑特征。但是,与液滴接触的下层结构的作用尚不清楚。微纳米加工的最新发展可以使研究人员构建一种类似于皮肤肌肉的系统,该系统将界面处的拒液性与机械功能性结构相结合。在《科学进展》现已发表的新报告中,胡松涛和中国,瑞士和英国的多学科科学家团队使用三维(3-D)直接激光光刻技术设计了具有蘑菇状驱蚊头的生物启发性表面。柔软的弹簧状结构通过抵抗复杂形式的液滴分解并减少液滴与表面的接触时间,提高了液体排斥性。像弹簧一样的柔性支撑件的使用是前所未有的材料研究方法,可以增强液体排斥性,从而实现出色的表面控制和液滴操作。这项工作扩展了对驱虫微结构的研究,以通过将功能表面与机械超材料连接起来而产生功能可能性。
 
液滴和人造疏液表面上的固体界面之间的相互作用对于自清洁,防冰和防反射技术以及集水和液滴处理原理很重要。研究人员对模仿天然表面的形态和化学特征感兴趣,以在实验室中实现仿生性能。一个典型的例子是荷花效应,它通过结合分层形态学和蜡基化学修饰来表现出防水性能。为了提高实验室中的荷花效果,研究人员模仿了弹簧尾启发的拓扑在柱状支撑的顶部具有蘑菇状的柔性头部,可控制液滴与表面的接触。在这项工作中,胡等人。使用灵活的微结构设计来增强液体的排斥性,以弥合功能表面和机械材料这两个研究概念之间的差距,从而构建一个“类似于皮肤肌肉”的系统。
 
设计制作
 
结构的顶表面就像皮肤一样接收和响应,而下面的支撑则起到了调节机械性能的肌肉作用。通过将功能表面与机械超材料连接起来,这项工作将触发更多功能和可能性的机会之窗。该团队使用双光子聚合技术,在微纳米尺度上定制了3D结构,以实现蘑菇形弹簧设计。他们首先在SolidWorks中对柔性表面进行建模,然后将设计转换为立体光刻格式,以便在涂有铟锡氧化物(ITO)的熔融石英上使用光刻胶进行制造。然后,研究小组用化学气相沉积法涂覆了表面使柔性弹簧的行为像刚性支柱一样。Hu等。它还支持蹦床启发的表面,其中垂直弹簧支撑蘑菇状头部,水平弹簧将相邻的蘑菇状头部连接起来以操纵液固界面。
 
 
倾斜影响液滴的过程。在We〜20.61处,水滴以45°的角度撞击倾斜平台上的蘑菇-弹簧和蘑菇-柱表面的水滴的扩散,收缩和回弹行为。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aba9721
防止液滴破裂并观察扩散性能
蘑菇-柱/蘑菇-弹簧表面对静态水滴显示出出色的抗渗透能力,并且由于其表面涂层,该材料保持了结构疏水性(疏水性)。该团队进行了测试,以了解水滴在不同的撞击速度下的扩散和回弹行为,并将其形式命名为沉积(DEP),回弹(REB)和钉扎(PIN)行为,并增加了We值(无量纲比)在惯性力和毛细力之间)。例如,当冲击能量增加时,REB行为会继承DEP的位置,从而对冲击事件表现出有效的动力学抵抗力。然后,团队计算出最大扩散系数作为我们的函数。科学家将不同表面结构之间最大扩展系数的差异归因于软材料的粘弹性断裂。为了进一步了解撞击液滴在微结构上的扩散行为,Hu等。建立了理论扩展模型,以估算完成的工作(W),以在柔性或刚性表面上扩展到最大直径。
液滴回缩后的行为会影响蘑菇弹簧和蘑菇柱表面。(A)缩回后的行为,包括We的函数,包括沉积(DEP),反弹(REB)和钉扎(PIN)。(B)示例性地提供快照以可视化随时间推移的不同后缩回行为。比例尺,1毫米。图片来源:上海交通大学胡S。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aba9721
恢复系数和接触时间
然后,科学家计算了恢复系数,即碰撞后两个物体之间相对速度的比率,以量化从表面升起后液滴的剩余动能。在这样的表面上的沉积/回弹(DEP-REB)转变没有揭示出弹性改性对恢复系数的影响。他们讨论了柔性支撑体修改对液滴接触时间的影响,该时间取决于撞击位置。通过采用有效的制造策略将柔性微结构固定在刚性基板上,团队克服了液滴接触的缺点。
液滴的扩散行为会影响蘑菇弹簧和蘑菇柱表面。(A)最大扩展因子Dmax / D0作为We的函数。(B和C)理论扩展模型,用于估计扩展阶段W所做的功以及与We有关的结果。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aba9721
这样,Songtao Hu和他的同事弥合了功能性表面和机械材料两个研究领域之间的鸿沟,从而在材料表面工程中实现了类似于皮肤肌肉的概念。他们在类似弹簧的柔性支架上设计了具有生物启发性的类似蘑菇的防水头,以动力学方式抵制液体侵入,适用于各种应用。该小组提出了一种先进的蹦床状结构,以解决液滴接触时的结构不稳定性。他们使用3-D直接激光光刻技术进行微纳米加工,以精确地复制具有可调液体排斥性的柔性表面。而建议的Nanoscribe技术由于高精度3D直接激光光刻技术提供了快速的原型制作技术,因此在实践中必须针对大规模制造进行优化。不断发展的3-D打印技术将为高通量厘米级制造效率提供更多选择。

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