Verdens første opdagelse af flydende retningsbestemt styring på en bioinspireret overflade

Inspireret af en slags træblad, forskere ved City University of Hong Kong (CityU) opdagede, at spredningsretningen for forskellige væsker, der er aflejret på den samme overflade, kan styres, løse en udfordring, der har været i over to århundreder. Dette gennembrud kan antænde en ny bølge af brug af 3D -overfladestrukturer til intelligent væskemanipulation med dybe konsekvenser for forskellige videnskabelige og industrielle applikationer, såsom fluidikdesign og forbedring af varmeoverførsel.

Anført af professor Wang Zuankai, formandsprofessor i Institut for Maskinteknik (MNE) i CityU, forskergruppen fandt ud af, at den uventede væsketransportadfærd af Araucaria -bladet giver en spændende prototype til væskeretningsstyring, skubber grænserne for flydende transport. Deres resultater blev offentliggjort i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Videnskab under titlen "Tredimensionel kapillær skraldeinduceret væskestyret styring."

Araucaria er en træart, der er populær inden for havedesign. Bladet består af periodisk arrangerede skralder, der vipper mod bladspidsen. Hver skralde har et tip, med både tværgående og langsgående krumning på den øverste overflade og en relativt flad, glat bundoverflade. Når et af forskergruppens medlemmer, Dr. Feng Shile, besøgte en forlystelsespark i Hong Kong med Araucaria -træer, bladets særlige overfladestruktur fangede hans opmærksomhed.

Særlig bladstruktur gør det muligt at sprede væske i forskellige retninger

"Den konventionelle forståelse er, at en væske, der afsættes på en overflade, har en tendens til at bevæge sig i retninger, der reducerer overfladenergi. Dens transportretning bestemmes hovedsageligt af overfladestrukturen og har intet at gøre med væskens egenskaber, såsom overfladespænding, "sagde professor Wang. Men forskergruppen fandt ud af, at væsker med forskellige overfladespændinger udviser modsatte spredningsretninger på bladet Araucaria, i skarp kontrast til konventionel forståelse.

Ved at efterligne dens naturlige struktur, teamet designede en Araucaria blad-inspireret overflade (ALIS), med 3D -skralder i millimeterstørrelse, der gør det muligt for væsker at blive onde (dvs. flyttes ved kapillærvirkning) både ind og ud af overfladeplanet. De replikerede bladets fysiske egenskaber med 3D -print af polymerer. De fandt ud af, at skraldernes strukturer og størrelse, især den genindtrængende struktur i spidsen af ​​skralderne, spalt-til-spids-afstanden mellem skralderne, og skraldernes vippevinkel, er afgørende for væskeretningsstyring.

For væsker med høj overfladespænding, som vand, forskergruppen opdagede, at den ene grænse af væske er "fastgjort" i spidsen af ​​3D -skralden. Da skraldenes spids-til-spidsafstand er sammenlignelig med væskens kapillærlængde (millimeter), væsken kan gå bagud mod skraldespidsretningen. I modsætning, til væsker med lav overfladespænding, som ethanol, overfladespændingen fungerer som en drivkraft og gør det muligt for væsken at bevæge sig fremad langs skralde-vippende retning.

Første observation af væske, der 'vælger' retningsstrøm

"For første gang, vi demonstrerede retningsbestemt transport af forskellige væsker på den samme overflade, succesfuldt at løse et problem inden for overflade- og grænsefladevidenskab, der har eksisteret siden 1804, "sagde professor Wang." Det rationelle design af de nye kapillarrotter gør det muligt for væsken at 'bestemme' dens spredningsretning baseret på samspillet mellem dens overfladespænding og overfladestruktur. Det var som et mirakel at observere forskellige væskers forskellige retningsstrømme. Dette var den første registrerede observation i den videnskabelige verden. "

Endnu mere interessant, deres forsøg viste, at en blanding af vand og ethanol kan flyde i forskellige retninger på ALIS, afhængig af koncentrationen af ​​ethanol. En blanding med mindre end 10% ethanol spredes baglæns mod skraldespidsretningen, mens en blanding med mere end 40% ethanol forplantede sig mod skralde-vippende retning. Blandinger af 10% til 40% ethanol bevægede sig tovejs på samme tid.

"Ved at justere andelen af ​​vand og ethanol i blandingen, vi kan ændre blandingens overfladespænding, tillader os at manipulere væskestrømningsretningen, "sagde Dr. Zhu Pingan, Adjunkt i MNE i CityU, medforfatter af papiret.

Styring af spredningsretningen ved at justere overfladespændingen

Teamet fandt også ud af, at 3D -kapillerskralderne enten kan fremme eller hæmme væsketransport afhængigt af skraldernes vipperetning. Da ALIS med skralder, der vippede opad, blev indsat i et fad med ethanol, kapillærstigningen af ​​ethanol var højere og hurtigere end for en overflade med symmetriske skralder (skralder vinkelret på overfladen). Når ALIS indsættes med skralder, der vipper nedad, kapillærstigningen var lavere.

Deres resultater giver en effektiv strategi for intelligent vejledning af flydende transport til måldestinationen, åbning af en ny vej til strukturinduceret flydende transport og nye applikationer, såsom mikrofluidik design, varmeoverførsel og smart væskesortering.

"Vores nye væskeretningsstyring har mange fordele, såsom velkontrolleret, hurtig, langdistancetransport med selvkørsel. Og ALIS kan let fremstilles uden komplicerede mikro/nanostrukturer, "sluttede professor Wang.