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江苏大学张忠强课题组:纵横织构锥体表面液滴双模式自运输和水收集

更新时间:2023-12-04      点击次数:324
液滴自运输对自然界中许多动植物的生存起着至关重要的作用,而自运输速度和距离一直是评价液滴运输效率的关键指标。虽然,通过结构设计、表面处理等手段将液滴的自运输速度提高到了数十毫米/秒量级,但由于液滴与织构基底特征尺寸的匹配问题,制约了多尺度液滴高效自运输的实现。此外,织构基底表面缺陷和粘滞作用往往也会造成液滴的滞留或产生残留水层,这会阻碍雾滴在基底表面沉积,从而降低雾水收集效率。因此,如何实现多尺度液滴的超快速、长距离无损自运输仍然是一个挑战



针对上述问题,近期江苏大学张忠强教授团队制备出了一种带有横向梯度微通道和环向凹槽的新型纵横织构锥体,提出了功能表面梯度表面张力-毛细吮吸力耦合作用下液滴自运输双模式,实现了多尺度液滴超快速、长距离无损自运输。该研究成果以“Cross-hatch Textured Cone Enables Dual-Mode Water Transport and Collection"为题发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上。

研究通过摩方精密nanoArch® S140高精度3D打印机制备了纵横织构锥体,实现了多尺度液滴超快速定向长距离自运输,最大自运输速度可达208 mm/s,比具有单一曲率梯度的自然或仿生结构快1-4个数量级。纵横织构锥体触发了两种流体运输模式:通过Young-Laplace压力差驱动的液滴和微通道内吮吸压力诱导的流体运输。由于环向凹槽连通了梯度微通道,保证了残留水层和滞留在锥体表面的液滴仍能自发的被运输到锥体根部,最终实现了液滴的完整运输。建立了吮吸压力的理论公式,阐明了滞留液滴和残余水层自运输的驱动力来源。此外,拓展了纵横织构锥体在雾气收集领域的应用。基于两种流体运输模式,纵横织构锥体的雾气收集效率是没有微通道的锥体的两倍左右。这些发现将为实现液滴的超快速长距离无损自运输提供新的思路,并为水收集装置的设计提供理论基础。

该论文署名江苏大学机械工程学院/智能柔性机械电子研究院为第一单位,张福建博士为论文第一作者,张忠强教授和丁建宁教授为通讯作者。论文所涉及研究内容得到了国家自然科学基金项目的资助。

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图1 纵横织构锥体模型与结构表征。(a)模型全景图;(b)剖视图;(c-d)局部放大图;(b-d)比例尺:100 μm。

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图2 纵横织构锥体表面液滴自运输。(a-b)带/不带微通道的锥体表面上液滴自运输行为;(c)纵横织构锥体表面液滴速度和位移随时间的变化;(d)纵横织构锥体和其他润湿梯度表面、非对称几何形状表面上液滴运输速度的对比。
 
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图3 纵横织构锥体表面液滴运输的细节图。(a)锥体表面液滴通过后的残留水层运输行为;(b)锥体表面残留水层运输示意图。
 
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图4 纵横织构锥体的倾角对液滴自运输的影响。(a)液滴自运输速度与时间的关系;(b)锥体表面滞留液滴的吮吸运输行为;(c)锥体中部和末端两液滴之间的距离L和吮吸时间与倾斜角度的关系。
 
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图5 微通道对水收集效率的影响。(a)单锥集水速率对比;(b-c)在雾气稳定收集阶段, 带/不带微通道的锥体表面水层状态;(d)纵横织构锥体阵列水收集装置示意图;(e)锥阵列水收集