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江蘇大學(xué)張忠強課題組：縱橫織構錐體表面液滴雙模式自運輸和水收集

更新時(shí)間：2023-12-04點(diǎn)擊次數：804
液滴自運輸對自然界中許多動(dòng)植物的生存起著(zhù)至關(guān)重要的作用，而自運輸速度和距離一直是評價(jià)液滴運輸效率的關(guān)鍵指標。雖然，通過(guò)結構設計、表面處理等手段將液滴的自運輸速度提高到了數十毫米/秒量級，但由于液滴與織構基底特征尺寸的匹配問(wèn)題，制約了多尺度液滴高效自運輸的實(shí)現。此外，織構基底表面缺陷和粘滯作用往往也會(huì )造成液滴的滯留或產(chǎn)生殘留水層，這會(huì )阻礙霧滴在基底表面沉積，從而降低霧水收集效率。因此，如何實(shí)現多尺度液滴的超快速、長(cháng)距離無(wú)損自運輸仍然是一個(gè)挑戰。



針對上述問(wèn)題，近期江蘇大學(xué)張忠強教授團隊制備出了一種帶有橫向梯度微通道和環(huán)向凹槽的新型縱橫織構錐體，提出了功能表面梯度表面張力-毛細吮吸力耦合作用下液滴自運輸雙模式，實(shí)現了多尺度液滴超快速、長(cháng)距離無(wú)損自運輸。該研究成果以“Cross-hatch Textured Cone Enables Dual-Mode Water Transport and Collection"為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》期刊上。

研究通過(guò)摩方精密nanoArch® S140高精度3D打印機制備了縱橫織構錐體，實(shí)現了多尺度液滴超快速定向長(cháng)距離自運輸，最大自運輸速度可達208 mm/s，比具有單一曲率梯度的自然或仿生結構快1-4個(gè)數量級?？v橫織構錐體觸發(fā)了兩種流體運輸模式：通過(guò)Young-Laplace壓力差驅動(dòng)的液滴和微通道內吮吸壓力誘導的流體運輸。由于環(huán)向凹槽連通了梯度微通道，保證了殘留水層和滯留在錐體表面的液滴仍能自發(fā)的被運輸到錐體根部，最終實(shí)現了液滴的完整運輸。建立了吮吸壓力的理論公式，闡明了滯留液滴和殘余水層自運輸的驅動(dòng)力來(lái)源。此外，拓展了縱橫織構錐體在霧氣收集領(lǐng)域的應用?；趦煞N流體運輸模式，縱橫織構錐體的霧氣收集效率是沒(méi)有微通道的錐體的兩倍左右。這些發(fā)現將為實(shí)現液滴的超快速長(cháng)距離無(wú)損自運輸提供新的思路，并為水收集裝置的設計提供理論基礎。

該論文署名江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院/智能柔性機械電子研究院為第一單位，張福建博士為論文第一作者，張忠強教授和丁建寧教授為通訊作者。論文所涉及研究?jì)热莸玫搅藝易匀豢茖W(xué)基金項目的資助。

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圖1 縱橫織構錐體模型與結構表征。（a）模型全景圖；（b）剖視圖；（c-d）局部放大圖；（b-d）比例尺：100 μm。

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圖2 縱橫織構錐體表面液滴自運輸。（a-b）帶/不帶微通道的錐體表面上液滴自運輸行為；（c）縱橫織構錐體表面液滴速度和位移隨時(shí)間的變化；（d）縱橫織構錐體和其他潤濕梯度表面、非對稱(chēng)幾何形狀表面上液滴運輸速度的對比。
 
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圖3 縱橫織構錐體表面液滴運輸的細節圖。（a）錐體表面液滴通過(guò)后的殘留水層運輸行為；（b）錐體表面殘留水層運輸示意圖。
 
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圖4 縱橫織構錐體的傾角對液滴自運輸的影響。（a）液滴自運輸速度與時(shí)間的關(guān)系；（b）錐體表面滯留液滴的吮吸運輸行為；（c）錐體中部和末端兩液滴之間的距離L和吮吸時(shí)間與傾斜角度的關(guān)系。
 
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圖5 微通道對水收集效率的影響。（a）單錐集水速率對比；（b-c）在霧氣穩定收集階段, 帶/不帶微通道的錐體表面水層狀態(tài)；（d）縱橫織構錐體陣列水收集裝置示意圖；（e）錐陣列水收集