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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(lái)源:高分子科學(xué)前沿 瀏覽 718 次 發(fā)布時(shí)間:2024-08-06

控制液體的定向運(yùn)輸對(duì)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(wú)外部能量輸入條件下實(shí)現(xiàn)定向運(yùn)輸液體,但修飾潤(rùn)濕性梯度或結(jié)構(gòu)的表面對(duì)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(wú)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(kāi)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(duì)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(rùn)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(duì)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(duì)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(duì)界面的潤(rùn)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(huì)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(wú)需組裝復(fù)雜的液體控制模塊。如圖3所示,通過(guò)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(jiǎn)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(wú)需使用任何昂貴的定量檢測(cè)儀器。研究人員開(kāi)發(fā)出一系列有不同單元高度的結(jié)構(gòu)化表面來(lái)細(xì)化可識(shí)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(lái)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(duì)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(duì)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。


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