供稿人:張兵 賀健康 發(fā)布日期：2018-04-06
自然界的動(dòng)植物給我們提供了很多功能性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)靈感，促進(jìn)了仿生智能結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展。其中多功能表面的仿生微結(jié)構(gòu)，例如受植物葉子啟發(fā)的超疏水表面結(jié)構(gòu)，在自清潔、抗腐蝕、油/水分離、微反應(yīng)器和液滴操作等領(lǐng)域具有極高的科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)典的超疏水案例是具有蓮花葉片效應(yīng)的超疏水結(jié)構(gòu)，水滴在葉片上形成完美的球形且易于滑落，這是由于葉片上具有微納米尺寸的疏水性結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以用于自清潔。另一個(gè)案例是可以吸附水滴的超疏水表面，該結(jié)構(gòu)具有多個(gè)獨(dú)特的打蛋器形狀微結(jié)構(gòu)。打蛋器的尖端具有親水性結(jié)構(gòu)，而其表面布滿納米狀的超疏水結(jié)構(gòu)。這樣，空氣可以長(zhǎng)期保持在打蛋器形狀內(nèi)部，使得葉片表面與水可以隔離開(kāi)，使液滴在葉片表面保持穩(wěn)定的類球形狀態(tài)。
圖1 自然界中的超疏水結(jié)構(gòu)及其3D打印過(guò)程示意圖
然而，傳統(tǒng)制造技術(shù)很難仿造出自然界中復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，為了解決這一問(wèn)題，南加州大學(xué)Yong Chen教授課題組采用‘沉浸表面累積三維打印工藝’（Immersed surface accumulation based 3D Printing），制造出了仿生葉片的超疏水打蛋器微結(jié)構(gòu)（圖1）。將多壁碳納米管添加到光固化樹(shù)脂中以增強(qiáng)微結(jié)構(gòu)的表面粗糙度和機(jī)械強(qiáng)度。結(jié)果表明，3D打印的打蛋器微結(jié)構(gòu)表面在超疏水性能方面表現(xiàn)優(yōu)異。打蛋器表面與水滴的粘附力可以很容易地通過(guò)設(shè)計(jì)不同的臂數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)，可以作為‘微型機(jī)械手’來(lái)操控微液滴，例如無(wú)損轉(zhuǎn)移，分離，反應(yīng)混合以及三維細(xì)胞培養(yǎng)等。此外，該新型仿生結(jié)構(gòu)可以用于油污的吸附和高效油水分離，如圖2所示。
圖2 所打印的超疏水微結(jié)構(gòu)在微滴操控及油水分離中的應(yīng)用
該研究提供了一種全新的超疏水結(jié)構(gòu)制備方法，將有助于進(jìn)一步了解界面潤(rùn)濕狀態(tài)以及超疏水表面的原理。此外，考慮到3D打印方法的靈活性和有效性，該結(jié)構(gòu)可能在生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境工程中有著廣泛的應(yīng)用前景，例如微液滴操控，基于液滴的生物檢測(cè)，藥物測(cè)試和大批量的油/水分離等。