Forbedret væskeafvisning gennem fleksible mikrostrukturer

Kunstige overflader, der kan afvise væsker, har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed på tværs af videnskabelige og industrielle platforme for at skabe funktionelle topologiske træk. Men rollen af ​​de underliggende strukturer, der er i kontakt med væskedråber, er ikke godt forstået. Den seneste udvikling inden for mikro-nanofabrikation kan give forskere mulighed for at konstruere et hudmuskellignende system, der kombinerer væskeafvisning ved grænsefladen, sammen med en mekanisk funktionel struktur. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Videnskabens fremskridt , Songtao Hu og et team af tværfaglige videnskabsmænd i Kina, Schweiz og Storbritannien, designet bioinspirerede overflader med svampelignende afvisende hoveder ved hjælp af tredimensionel (3-D) direkte laserlitografi. Den fleksible, fjederlignende understøtter forhøjet væskeafvisning ved at modstå komplekse former for dråbenedbrydning og reducere kontakttid mellem dråber og overflade. Brugen af ​​fjederlignende fleksible understøtninger er en hidtil uset materialeforskningstilgang, der forbedrede væskeafvisningen for fremragende overfladekontrol og dråbemanipulation. Arbejdet udvidede forskningen i afvisende mikrostrukturer for at give funktionelle muligheder ved at forbinde funktionelle overflader med mekaniske metamaterialer.

Samspillet mellem væskedråber og faste grænseflader på kunstige væskeafvisende overflader er vigtigt for selvrensende, anti-isning, og antirefleksteknologier og for principper for vandopsamling og dråbemanipulation. Forskere er interesserede i at efterligne morfologiske og kemiske egenskaber ved naturlige overflader for at opfylde biomimetisk ydeevne i laboratoriet. Et klassisk eksempel er lotuseffekten, som udviser vandtætningsevne ved at kombinere hierarkisk morfologi og voksbaserede kemiske modifikationer. For at forbedre lotus-effekten i laboratoriet, forskere har efterlignet springhale-inspireret topologi med svampelignende, fleksible hoveder på toppen af ​​søjlelignende understøtninger for at manipulere dråbekontakt med overflader. I dette arbejde, Hu et al. forbedret væskeafvisning ved hjælp af det fleksible mikrostrukturdesign til at bygge bro mellem to forskningskoncepter af funktionelle overflader og mekaniske materialer for at konstruere et "hud-muskel-lignende" system.

Design og fremstilling

Den øverste overflade af konstruktionen opførte sig som huden til at modtage og reagere, mens de underliggende understøtninger spillede muskelrollen for at tune de mekaniske egenskaber. Værket vil udløse et vindue af muligheder for flere funktionaliteter og muligheder ved at forbinde funktionelle overflader med mekaniske metamaterialer. Ved hjælp af to-foton polymerisation, holdet skræddersyede 3D-strukturer på mikro-nanoskala for at realisere svampefjeder-designet. De modellerede først de fleksible overflader i SolidWorks og konverterede designerne til et stereolitografisk format til fremstilling med en fotoresist på en indiumtinoxid (ITO)-belagt smeltet silica. Holdet coated derefter overfladen med kemisk dampaflejring for at få de fleksible fjedre til at opføre sig som stive søjler. Hu et al. understøttede også en trampolin-inspireret overflade, hvor lodrette fjedre understøttede svampelignende hoveder og vandrette fjedre forbandt de tilstødende svampelignende hoveder for at manipulere væske-faststof-grænsefladen.

Svampe-søjle-/svampe-fjeder-overfladerne viste fremragende anti-penetrerende kapacitet over for statiske vanddråber, og materialerne opretholdt strukturel hydrofobicitet (vandafvisning) på grund af deres overfladebelægning. Holdet udførte tests for at forstå spredning og tilbageslagsadfærd for vanddråber under forskellige slaghastigheder og navngav deres former som aflejring (DEP), rebounding (REB) og pinning (PIN) adfærd, med en øget Vi værdi (et ikke-dimensionsløst forhold mellem inerti- og kapillarkræfter). For eksempel, når den påvirkningsenergi steg, REB-adfærden arvede DEP's plads til at udvise en effektiv kinetisk modstand mod hændelser med påvirkning. Holdet beregnede derefter den maksimale spredningsfaktor som funktion af Vi . Forskerne krediterede forskellen i den maksimale spredningsfaktor mellem forskellige overfladestrukturer til viskoelastisk brud i bløde materialer. For yderligere at forstå spredningsadfærden af ​​påvirkende dråber på mikrostrukturer, Hu et al. etableret en teoretisk spredningsmodel, at estimere udført arbejde (W) for at sprede sig ud til en maksimal diameter på en fleksibel eller stiv overflade.

Forskerne beregnede derefter restitutionskoefficienten, dvs. forholdet mellem relativ hastighed mellem to objekter efter kollision i opsætningen, at kvantificere den resterende kinetiske energi af dråberne efter løft af overflader. Deposition/rebound (DEP-REB) overgange på sådanne overflader afslørede ikke indflydelsen af ​​fleksibel modifikation på restitutionskoefficienten . De diskuterede effekten af ​​fleksible støttemodifikationer på kontakttiden for dråben, hvilket afhang af anslagspositionen. Ved at immobilisere fleksible mikrostrukturer på et stift substrat med effektive fremstillingsstrategier overvandt holdet mangler ved dråbekontakt.

På denne måde Songtao Hu og kolleger slog bro mellem to forskningsområder inden for funktionelle overflader og mekaniske materialer for at implementere et hudmuskel-lignende koncept inden for materialeoverfladeteknik. De designede bioinspirerede svampelignende vandtætte hoveder oven på fjederlignende fleksible understøtninger for kinetisk at afvise væskeindtrængning – velegnet til en række forskellige anvendelser. Holdet foreslog en avanceret trampolinlignende struktur for at løse strukturel ustabilitet ved kontakt med dråber. De brugte 3-D direkte laserlitografi til mikro-nano-fremstilling for præcist at replikere de fleksible overflader med justerbar væskeafvisning. Mens den foreslåede Nanoscribe-teknik til højpræcision 3-D direkte laserlitografi tilbyder hurtig prototyping-teknologi, teknikken skal optimeres til storskala fabrikation i praksis. De udviklende 3-D-printteknologier vil give flere muligheder for høj-throughput centimeter-skala fabrikation effektivitet.

© 2020 Science X Network