《Science Advances》：仿松針多級非對稱結構超疏水錶面多尺度液滴定向輸運

液滴的自發定向輸運在芯片實驗室、能源電力系統、油氣輸運、水收集和除濕等領域具有廣泛的應用前景，其主要取決於表面形貌結構和化學組成的非對稱性，具體表現為浸潤性梯度、各向異性結構和曲率梯度等。液滴輸運的速度和距離是判定輸運效率的有效指標。合理的設計並製備表面結構是實現快速、長程的液滴自發定向輸運的有效方法。然而，傳統的加工技術加工精度較低、加工結構單一，很難滿足結構性能要求。
近日，大連理工大學馮詩樂副教授，受松針表面多級非對稱結構啟發，使用深圳摩方材料科技有限公司PμSL 3D打印技術（nanoArch® S140），製備了仿松針多級非對稱結構表面，實現了快速、長程的液滴自發定向輸運。該研究以“Tip-inducedflipping of droplets on Janus pillars: from local reconfiguration to globaltransport”為題發表在國際頂級期刊《ScienceAdvances》上，為液滴的定向輸運領域的發展提供了新的思路。論文第一作者為大連理工大學馮詩樂副教授，通訊作者為香港城市大學王鑽開教授和巴黎高等物理化工學院David Quéré教授。

要點：研究者藉鑑松針表面結構特徵，設計並製備包括第一級的傾斜陣列結構、第二級的高度梯度結構和第三級的平面/曲面組合的半錐形結構的仿松針多級非對稱結構表面。上述表面（圖1）由nanoArch S140微尺度3D打印設備加工，使用材料為HTL耐高溫樹脂，打印層厚為10微米。陣列間距為300微米，尖錐傾斜角度β為70°，高度梯度α為20°，尖錐頂端大小為10-20微米。在打印過程中，通過精密刮刀刮除細小的氣泡，來保障加工質量。同時，研究者還設計了僅包含傾斜陣列結構和半錐形結構的對照樣品，與僅包含傾斜陣列結構和高度梯度結構的對照樣品。通過nanoArch S140微尺度3D打印技術，實現了包括傾斜、高度梯度及平/曲面組合的複雜三維結構表面參數的精確調控及大規模製備（圖2）。

要點：在凝結過程中，液滴先隨機在表面凝結，然後向尖端匯聚，然後尖端液滴會在合併過程中重新配置，並從半錐形結構的平面旋轉到曲面位置，隨後合併的液滴會沿著高度增加的方向運動，進而實現從微觀到宏觀的多尺度液滴的定向輸運，其液滴定向輸運的速度可以達到10 cm/s。研究者發現液滴在合併過程中重新配置是非對稱結構誘導的尖端效應導致的，並通過建立能量變化模型證明，當液滴尺寸大於結構尺寸時，液滴坐落於平面的系統能量大於坐落於曲面上的系統能量，從而揭示了液滴從平面向曲面運動的機理。研究者發現毫米級的液滴在合併過程中依然會從平面運動到弧面上，證明非對稱結構誘導的尖端效應普遍適用於各種尺度的液滴。