江蘇大學(xué)張忠強(qiáng)課題組：縱橫織構(gòu)錐體表面液滴雙模式自運(yùn)輸和水收集

更新時(shí)間：2023-12-04

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液滴自運(yùn)輸對自然界中許多動(dòng)植物的生存起著至關(guān)重要的作用，而自運(yùn)輸速度和距離一直是評價(jià)液滴運(yùn)輸效率的關(guān)鍵指標(biāo)。雖然，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面處理等手段將液滴的自運(yùn)輸速度提高到了數(shù)十毫米/秒量級，但由于液滴與織構(gòu)基底特征尺寸的匹配問題，制約了多尺度液滴高效自運(yùn)輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。此外，織構(gòu)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(xiàn)多尺度液滴的超快速、長距離無損自運(yùn)輸仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

針對上述問題，近期江蘇大學(xué)張忠強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)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(gòu)錐體，提出了功能表面梯度表面張力-毛細(xì)吮吸力耦合作用下液滴自運(yùn)輸雙模式，實(shí)現(xiàn)了多尺度液滴超快速、長距離無損自運(yùn)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。

研究通過摩方精密nanoArch® S140高精度3D打印機(jī)制備了縱橫織構(gòu)錐體，實(shí)現(xiàn)了多尺度液滴超快速定向長距離自運(yùn)輸，最大自運(yùn)輸速度可達(dá)208 mm/s，比具有單一曲率梯度的自然或仿生結(jié)構(gòu)快1-4個(gè)數(shù)量級?？v橫織構(gòu)錐體觸發(fā)了兩種流體運(yùn)輸模式：通過Young-Laplace壓力差驅(qū)動(dòng)的液滴和微通道內(nèi)吮吸壓力誘導(dǎo)的流體運(yùn)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(yùn)輸?shù)藉F體根部，最終實(shí)現(xiàn)了液滴的完整運(yùn)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(yùn)輸?shù)尿?qū)動(dòng)力來源。此外，拓展了縱橫織構(gòu)錐體在霧氣收集領(lǐng)域的應(yīng)用。基于兩種流體運(yùn)輸模式，縱橫織構(gòu)錐體的霧氣收集效率是沒有微通道的錐體的兩倍左右。這些發(fā)現(xiàn)將為實(shí)現(xiàn)液滴的超快速長距離無損自運(yùn)輸提供新的思路，并為水收集裝置的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

該論文署名江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院/智能柔性機(jī)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(qiáng)教授和丁建寧教授為通訊作者。論文所涉及研究內(nèi)容得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

圖1 縱橫織構(gòu)錐體模型與結(jié)構(gòu)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。

圖2 縱橫織構(gòu)錐體表面液滴自運(yùn)輸。（a-b）帶/不帶微通道的錐體表面上液滴自運(yùn)輸行為；（c）縱橫織構(gòu)錐體表面液滴速度和位移隨時(shí)間的變化；（d）縱橫織構(gòu)錐體和其他潤濕梯度表面、非對稱幾何形狀表面上液滴運(yùn)輸速度的對比。

圖3 縱橫織構(gòu)錐體表面液滴運(yùn)輸?shù)募?xì)節(jié)圖。（a）錐體表面液滴通過后的殘留水層運(yùn)輸行為；（b）錐體表面殘留水層運(yùn)輸示意圖。

圖4 縱橫織構(gòu)錐體的傾角對液滴自運(yùn)輸?shù)挠绊?。（a）液滴自運(yùn)輸速度與時(shí)間的關(guān)系；（b）錐體表面滯留液滴的吮吸運(yùn)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。

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(wěn)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(gòu)錐體陣列水收集裝置示意圖；（e）錐陣列水收集

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