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更新時(shí)間：2022-11-02
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液滴的自發(fā)定向輸運在芯片實(shí)驗室、能源電力系統、油氣輸運、水收集和除濕等領(lǐng)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(xué)組成的非對稱(chēng)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(shí)現快速、長(cháng)程的液滴自發(fā)定向輸運的有效方法。然而，傳統的加工技術(shù)加工精度較低、加工結構單一，很難滿(mǎn)足結構性能要求。
圖1 松針和仿松針多級非對稱(chēng)結構表面的形貌結構特征
圖2 仿松針多級非對稱(chēng)結構表面的形貌結構參數調控
要點(diǎn)：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(chēng)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(shù)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(guò)程中，通過(guò)精密刮刀刮除細小的氣泡，來(lái)保障加工質(zhì)量。同時(shí)，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(guò)nanoArch S140微尺度3D打印技術(shù)，實(shí)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模制備（圖2）。
圖3 仿松針多級非對稱(chēng)結構表面微液滴自發(fā)定向輸運
圖4 仿松針多級非對稱(chēng)結構尖.端效應
要點(diǎn)：在凝結過(guò)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(huì )在合并過(guò)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(huì )沿著(zhù)高度增加的方向運動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現從微觀(guān)到宏觀(guān)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(guò)程中重新配置是非對稱(chēng)結構誘導的尖.端效應導致的，并通過(guò)建立能量變化模型證明，當液滴尺寸大于結構尺寸時(shí)，液滴坐落于平面的系統能量大于坐落于曲面上的系統能量，從而揭示了液滴從平面向曲面運動(dòng)的機理。研究者發(fā)現毫米級的液滴在合并過(guò)程中依然會(huì )從平面運動(dòng)到弧面上，證明非對稱(chēng)結構誘導的尖.端效應普遍適用于各種尺度的液滴。
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