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薛龙建课题组仿生智能各向异性材料研究取得新进展
发布时间:2020-08-06 14:58  作者:  来源:动力与机械学院  

新闻网讯(通讯员陈敏)动力与机械学院薛龙建教授课题组(NISE-Lab)在仿生智能各向异性材料方面取得最新进展,相关成果发表于Advanced Science

论文第一作者为动力与机械学院2017级博士生李倩,通讯作者为薛龙建。该研究得到国家重点研发计划项目和国家自然科学基金的支持。

具有微纳结构的表面对许多植物和昆虫在自然界中的生存起到了关键作用。例如,各向异性表面可以使液滴沿着蝴蝶翅膀向外滚落,水黾可以在水面上行走,植物可以捕获花粉和昆虫。通过模仿自然界动植物表面,多种具有各项异性润湿性的工程材料为智能微流控,绿色印刷,自清洁涂层,生物医学等领域做出了积极贡献。

但是,很多材料表面性质的动态变化通常需要是非原位实现的,限制了它们的潜在应用。除此之外,目前大部分表面虽然可以用于液滴转移,但却缺乏分析液滴特性并分类的能力。众所周知,荷叶由于其表面均匀的植物蜡和独特的乳突结构而呈现各向同性超疏水性;蝴蝶翅膀的微结构导致其翅脉正向和逆向方向的滚动角存在差异而呈现润湿性的各向异性。

薛龙建课题组(NISE-Lab)结合荷叶与蝴蝶翅膀润湿性的特点,设计出一种仿生智能表面(简称TMAS),如图1借助于机械应力,它具有原位可逆操作水滴的能力,并能区分液体的酸性/碱性以及酸碱强度。

1:由(A)各向同性超疏水荷叶和(B)各向异性润湿性蝴蝶翅膀启发的(C)智能表面TMAS

TMAS是通过在预先拉伸的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上接枝三角形微柱阵列而成。调节PDMS薄膜中应力的施加方向及大小,可获得不同排列方式的三角形微柱状阵列,如首尾相连肩并肩等(图2)。由于三角形本身形状的各向异性,我们定义了AE两个方向。

y方向的周期(Py)由40μm增至51 μm时,AE方向的滚动角都有缓慢增加的趋势,但AE方向上的滚动角无显著性差异,呈现类似荷叶的各向同性润湿性行为。当Py40μm 减小至24 μm时,AE方向的滚动角显著增加,尤其是E方向,旋转至180o, 液滴也不会滚落,呈现类似蝴蝶翅膀的各向异性润湿(各向异性度ΔSA=258.3± 2.5°)。对于其他形状的微柱设计,例如,圆形、正方形和正六边形,则无法获得各向同性/各向异性润湿性状态的自由转换。

2:(A)“首尾相连”TMAS,(B)“肩并肩”TMAS,(C)滚动方向及滚动角定义(SA),(Dy方向上,SAASAE随阵列周期(Py)的变化规律,(E)不同形状微柱设计的各向异性度ΔSAPy的变化规律。

TMAS能够实现各向异性是由于AE方向上三相线(TCL)的差异。当Py=24 μm时,连续性TCLE的能垒大于离散式TCLA。液滴滚向A方向时,由于TCLE的强钉扎力,液滴后退角处的TCL被牢牢钉住,使得液滴无法滚动。转换方向朝E滚动时,后退角处为TCLA,钉扎力弱,液滴在重力作用下严重变形,当达到某一倾角时即可滚落。从A方向无法滚落到E方向易滚落的整个过程中,液滴始终处于Cassie状态,实现了由强黏附到易滚落状态的原位转换。

基于原位转换特性,TMAS表现出强大的液滴运输能力。在运输过程中,TMAS可以从不同的倾斜角度抓取液滴,并通过向E方向旋转释放液滴。不同的拉伸应变,TMAS可运输不同体积的液滴(从212 μL)。同时利用A方向上的强黏附力,TMAS除了可以将液滴运输到一个水平表面,还可以将其运输到倾斜的、垂直的,甚至是倒置的表面上,表现出很大的自由度及容差率。

基于机械应力可以实时调控前进角与后退角处三相线形态,TMAS还具备识别酸碱及检测液滴pH的优异性能。当将酸碱液滴置于两种不同周期的TMAS上并缓慢拉伸时,二者都是酸性液滴先滚落,继续拉伸一定程度,碱性液滴才后续滚落,轻松实现对酸碱的识别。而对于具有不同pH的两种酸或两种碱,TMAS也可以实现pH大小的比较。当缓慢拉伸TMAS时,强酸和弱碱会优先滚落,弱酸与强碱则稍后滚落。

通过结合蝴蝶翅膀与荷叶润湿性特点设计的仿生智能表面实现了瞬时液滴高黏附状态与滚动状态的原位转换,同时拥有多角度抓取及释放、识别酸碱及检测液滴pH的优异性能。该工作对新型化学传感器的研究提供了新思路。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202001650

课题组网站:

http://niselab.whu.edu.cn/

(编辑:陈丽霞、相茹)

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