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氣動(dòng)可編程超疏水表面
氣動(dòng)可編程超疏水表面
人為調(diào)節(jié)表面潤(rùn)濕性在科研與工程中具有重要意義。自然界的壁虎、樹蛙、章魚與跳蟲提供了基于表面結(jié)構(gòu)形態(tài)轉(zhuǎn)變來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)潤(rùn)濕性的仿生學(xué)途徑。基于智能響應(yīng)材料的表面結(jié)構(gòu)形態(tài)轉(zhuǎn)變受制于材料科學(xué)的發(fā)展。為此，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院胡松濤副教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合微流控技術(shù)，基于常規(guī)材料開發(fā)了一種氣動(dòng)可編程超疏水表面，實(shí)現(xiàn)了潤(rùn)濕性的原位調(diào)節(jié)以及液滴操縱（圖1），在抗液防冰、農(nóng)業(yè)灌溉、能量采集、液滴操縱等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。廣州實(shí)驗(yàn)室曹小寶副研究員團(tuán)隊(duì)、英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院Daniele Dini教授團(tuán)隊(duì)、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Andrew deMello教授團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)王鉆開教授團(tuán)隊(duì)為合作方。法國(guó)巴黎高等物理化工學(xué)院的 David Quéré 教授針對(duì)該研究?jī)?nèi)容發(fā)表了評(píng)論文章。（評(píng)論文章內(nèi)容請(qǐng)見本文文末。）
圖1 氣動(dòng)可編程超疏水表面的概念設(shè)計(jì)
每個(gè)可編程單元通過微流道連接微流控系統(tǒng)，由氣壓的通斷與大小來實(shí)現(xiàn)**的形態(tài)轉(zhuǎn)變（圖2a）。依據(jù)氣壓占空比與單元形變量的關(guān)聯(lián)，采用脈沖寬度調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)了基于單個(gè)壓力源的多壓力模擬（圖2b）。
圖2 氣動(dòng)可編程超疏水表面的形態(tài)控制
液滴沖擊實(shí)驗(yàn)表明，隨著沖擊位置與韋伯?dāng)?shù)的變化，液滴反彈形狀呈現(xiàn)燈泡型（保齡瓶型）、章魚型、花朵型與濺射花朵型。相較于傳統(tǒng)的燈泡型，章魚型與花朵型有助于縮短固液接觸時(shí)間，比較大幅值達(dá)到46.8%（圖3a），可歸因于剛?cè)峄旌献饔脵C(jī)制：一方面，單元變形后產(chǎn)生的凹凸曲率造成液滴的非對(duì)稱再分布；另一方面，凸起單元在沖擊載荷作用下發(fā)生形變，與液滴串聯(lián)成雙彈簧振子動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)（圖3b）。進(jìn)一步的理論分析表明，章魚型液滴的“觸手”總是沿著凸起單元比較大曲率方向（圖3c）。
圖3 氣動(dòng)可編程超疏水表面的抗液性能
研究團(tuán)隊(duì)還展示了氣動(dòng)可編程表面的液滴操縱能力。通過編程指定的單元，可以驅(qū)動(dòng)靜置液滴滾動(dòng)并改變滾動(dòng)方向（圖4a），可以觸發(fā)沖擊液滴定向彈跳并改變彈跳方向（圖4b）。據(jù)此，可在表面編程形態(tài)通道來實(shí)現(xiàn)液滴混合；編程形態(tài)梯度來實(shí)現(xiàn)液滴定向傳輸；結(jié)合通道與梯度，可將上述液滴操縱能力從一維（X方向）拓展為二維（XY平面）（圖4c）
圖4 氣動(dòng)可編程超疏水表面的液滴操縱
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