技術文章
Technical articles液滴的自發(fā)定向輸運在芯片實驗室、能源電力系統(tǒng)、油氣輸運、水收集和除濕等領域具有廣泛的應用前景,其主要取決于表面形貌結構和化學組成的非對稱性,具體表現為浸潤性梯度、各向異性結構和曲率梯度等。液滴輸運的速度和距離是判定輸運效率的有效指標。合理的設計并制備表面結構是實現快速、長程的液滴自發(fā)定向輸運的有效方法。然而,傳統(tǒng)的加工技術加工精度較低、加工結構單一,很難滿足結構性能要求。
圖1 松針和仿松針多級非對稱結構表面的形貌結構特征
圖2 仿松針多級非對稱結構表面的形貌結構參數調控
要點:研究者借鑒松針表面結構特征,設計并制備包括第一級的傾斜陣列結構、第二級的高度梯度結構和第三級的平面/曲面組合的半錐形結構的仿松針多級非對稱結構表面。上述表面(圖1)由nanoArch S140微尺度3D打印設備加工,使用材料為HTL耐高溫樹脂,打印層厚為10微米。陣列間距為300微米,尖.錐傾斜角度β為70°,高度梯度α為20°,尖.錐頂端大小為10-20微米。在打印過程中,通過精密刮刀刮除細小的氣泡,來保障加工質量。同時,研究者還設計了僅包含傾斜陣列結構和半錐形結構的對照樣品,與僅包含傾斜陣列結構和高度梯度結構的對照樣品。通過nanoArch S140微尺度3D打印技術,實現了包括傾斜、高度梯度及平/曲面組合的復雜三維結構表面參數的精確調控及大規(guī)模制備(圖2)。
圖3 仿松針多級非對稱結構表面微液滴自發(fā)定向輸運
圖4 仿松針多級非對稱結構尖.端效應
要點:在凝結過程中,液滴先隨機在表面凝結,然后向尖.端匯聚,然后尖.端液滴會在合并過程中重新配置,并從半錐形結構的平面旋轉到曲面位置,隨后合并的液滴會沿著高度增加的方向運動,進而實現從微觀到宏觀的多尺度液滴的定向輸運,其液滴定向輸運的速度可以達到10 cm/s。研究者發(fā)現液滴在合并過程中重新配置是非對稱結構誘導的尖.端效應導致的,并通過建立能量變化模型證明,當液滴尺寸大于結構尺寸時,液滴坐落于平面的系統(tǒng)能量大于坐落于曲面上的系統(tǒng)能量,從而揭示了液滴從平面向曲面運動的機理。研究者發(fā)現毫米級的液滴在合并過程中依然會從平面運動到弧面上,證明非對稱結構誘導的尖.端效應普遍適用于各種尺度的液滴。