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不同表面張力液體的多樣定向運(yùn)輸模式，如何實(shí)現(xiàn)？
來源：高分子科學(xué)前沿 瀏覽 852 次 發(fā)布時(shí)間:2024-08-06
控制液體的定向運(yùn)輸對于界面工程、微流控技術(shù)、強(qiáng)化傳熱和生化分析等具有重要意義。現(xiàn)有技術(shù)能在無外部能量輸入條件下實(shí)現(xiàn)定向運(yùn)輸液體，但修飾潤濕性梯度或結(jié)構(gòu)的表面對液體操控的驅(qū)動(dòng)力常局限在一維方向，限制了液體的運(yùn)輸只能在一維兩個(gè)方向內(nèi)調(diào)控，而無法實(shí)現(xiàn)多向可控運(yùn)輸，在一定程度上制約了液體操控表面功能的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用拓展。
為實(shí)現(xiàn)多向調(diào)控液體，香港理工大學(xué)王立秋教授團(tuán)隊(duì)提出了由陣列式三維不對稱尖牙結(jié)構(gòu)單元組成的結(jié)構(gòu)化表面，為不同表面張力液體定制運(yùn)輸方向，并呈現(xiàn)出五種新穎的運(yùn)輸模式（圖1）。這種智能調(diào)控液體的能力源于所設(shè)計(jì)表面單元自下而上分布的多曲率特征，在三維空間上交替地主導(dǎo)液體表面的局部拉普拉斯壓差，從而原位控制不同潤濕性液體的多樣定向運(yùn)輸模式。該表面根據(jù)液體特性實(shí)施多模式控制的能力使其具備傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化表面難以實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新功能，如構(gòu)建自適應(yīng)液體電路、便攜式表面張力指示器、智能調(diào)控液體及按需熱管理。該研究以“In Situ Multi-Directional Liquid Manipulation Enabled by 3D Asymmetric Fang-Structured Surface”為題發(fā)表于《Advanced Materials》，團(tuán)隊(duì)博士生孫思琦為論文第一作者，王立秋講席教授為通訊作者，張藝媛研究助理教授為共同通訊作者。
圖1：結(jié)構(gòu)化表面上的多向液體運(yùn)輸行為及潛在應(yīng)用。
視頻1：多向液體運(yùn)輸行為及表面單元的多曲率結(jié)構(gòu)對液體定向運(yùn)輸起主導(dǎo)作用的曲率特征。
原位多模態(tài)定向液體操控機(jī)制
注入結(jié)構(gòu)化表面的液體首先填充相鄰四個(gè)單元間的空隙，并在單元的特定曲率結(jié)構(gòu)處形成局部曲率不等的液體彎月面，這導(dǎo)致液體表面不同位置的拉普拉斯壓差不同，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)液體定向運(yùn)輸。隨表面張力從低到高（22-72 mN/m），液體呈現(xiàn)出五種不同的運(yùn)輸模式（I至Ⅴ）。研究人員利用水-乙醇溶液對這五種模式下液體沿x軸和y軸方向上的運(yùn)輸行為進(jìn)行力學(xué)分析（圖2）。表面張力較低的液體對界面的潤濕性較高，因此主要在單元底部曲率結(jié)構(gòu)作用下，沿拉普拉斯壓差較低的方向運(yùn)輸；而表面張力較高的液體會在結(jié)構(gòu)化表面上積累，其運(yùn)輸方向由單元頂部曲率調(diào)控。
圖2：注入液體在表面上的多向運(yùn)輸機(jī)制及拓展。
自適應(yīng)液體電路
結(jié)構(gòu)化表面可根據(jù)液體表面張力控制不同的運(yùn)輸方向，從而僅用一塊表面即可構(gòu)建自適應(yīng)液體特性的多路徑電路，而無需組裝復(fù)雜的液體控制模塊。如圖3所示，通過使用特定表面張力的導(dǎo)電液體，能在該表面上選擇性點(diǎn)亮目標(biāo)LED燈，從而簡化了復(fù)雜電路的構(gòu)建。
便攜式表面張力指示器
結(jié)構(gòu)化表面使不同表面張力的液體呈現(xiàn)肉眼可分的特定鋪展形態(tài)。因此，只需將液體用滴管注入結(jié)構(gòu)化表面，就可根據(jù)其鋪展方向推斷液體表面張力范圍，而無需使用任何昂貴的定量檢測儀器。研究人員開發(fā)出一系列有不同單元高度的結(jié)構(gòu)化表面來細(xì)化可識別的表面張力分區(qū)，以提高指示精度（圖3）。
圖3：自適應(yīng)液體電路和便攜式表面張力指示。
智能液體調(diào)控實(shí)現(xiàn)按需熱管理
在熱交換應(yīng)用中，溫度導(dǎo)致的液體性質(zhì)變化是一個(gè)廣泛存在的現(xiàn)象，給傳統(tǒng)的液體操縱表面在高溫環(huán)境下的應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。本研究提出的結(jié)構(gòu)化表面能在高溫環(huán)境下有效維持對液體的定向運(yùn)輸。并在高溫導(dǎo)致的液體表面張力變化下，完成了在持續(xù)變溫表面上對液體運(yùn)輸方向的智能調(diào)控，和在恒溫加熱表面上時(shí)空可控的靶向冷卻（圖4）。這種基于溫度調(diào)控液體性質(zhì)的智能液體運(yùn)輸能力，為按需熱管理提供了新的解決方案。
圖4：高溫表面上的動(dòng)態(tài)液體運(yùn)輸控制和時(shí)空可控的靶向冷卻。