供稿人:張兵 賀健康 發(fā)布日期：2018-04-06
自然界的動植物給我們提供了很多功能性結構的設計靈感，促進了仿生智能結構研究的發(fā)展。其中多功能表面的仿生微結構，例如受植物葉子啟發(fā)的超疏水表面結構，在自清潔、抗腐蝕、油/水分離、微反應器和液滴操作等領域具有極高的科學研究和經濟應用價值。經典的超疏水案例是具有蓮花葉片效應的超疏水結構，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構，該結構可以用于自清潔。另一個案例是可以吸附水滴的超疏水表面，該結構具有多個獨特的打蛋器形狀微結構。打蛋器的尖端具有親水性結構，而其表面布滿納米狀的超疏水結構。這樣，空氣可以長期保持在打蛋器形狀內部，使得葉片表面與水可以隔離開，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構及其3D打印過程示意圖
然而，傳統(tǒng)制造技術很難仿造出自然界中復雜的微結構，為了解決這一問題，南加州大學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構（圖1）。將多壁碳納米管添加到光固化樹脂中以增強微結構的表面粗糙度和機械強度。結果表明，3D打印的打蛋器微結構表面在超疏水性能方面表現優(yōu)異。打蛋器表面與水滴的粘附力可以很容易地通過設計不同的臂數來調節(jié)，可以作為‘微型機械手’來操控微液滴，例如無損轉移，分離，反應混合以及三維細胞培養(yǎng)等。此外，該新型仿生結構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構在微滴操控及油水分離中的應用
該研究提供了一種全新的超疏水結構制備方法，將有助于進一步了解界面潤濕狀態(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，該結構可能在生物醫(yī)學和環(huán)境工程中有著廣泛的應用前景，例如微液滴操控，基于液滴的生物檢測，藥物測試和大批量的油/水分離等。