液滴撞擊固體表面是一個(gè)普遍存在于自然與工業(yè)場(chǎng)景中的現(xiàn)象。而其中碰撞過(guò)程中的固/液接觸時(shí)間，是決定固液兩相之間質(zhì)量、動(dòng)量和能量傳遞效率的關(guān)鍵因素之一。減少固/液接觸時(shí)間，并促使液滴快速脫離固體表面，在能源收集、熱管理、防覆冰等應(yīng)用場(chǎng)景下一直是個(gè)難題。研究者們通過(guò)設(shè)計(jì)各種梯度表面來(lái)進(jìn)一步減少接觸時(shí)間，這些策略往往需要精確調(diào)控液滴的碰撞點(diǎn)，或是受限于較窄的液滴碰撞速度區(qū)間。
針對(duì)以上問(wèn)題，近期香港理工大學(xué)王鉆開(kāi)教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種雙梯度表面，使得碰撞該表面的液滴在不同的碰撞速度下自動(dòng)切換至相應(yīng)的液滴彈跳模式。這種自適應(yīng)切換的液滴彈跳避免了對(duì)液滴碰撞點(diǎn)的操控需求，且在更大的液滴碰撞速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了液滴的快速脫離。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“Self-Adaptive Droplet Bouncing on a Dual Gradient Surface”為題發(fā)表在《Small》期刊上，香港城市大學(xué)在讀博士生吳辰陽(yáng)為第一作者。
圖1. 基于3D打印的雙梯度表面的設(shè)計(jì)（a）雙梯度表面上的液滴彈跳模式切換機(jī)制和固液接觸時(shí)間比較。（b）3D打印雙梯度表面的照片。（c）雙梯度表面的掃描電鏡圖像。（d）所用涂層的掃描電鏡圖像和對(duì)應(yīng)的靜態(tài)接觸角圖。
該研究設(shè)計(jì)了一種具有雙梯度結(jié)構(gòu)的表面，如圖1所示。團(tuán)隊(duì)成員使用摩方精密公司的nanoArch? S140 微納3D打印機(jī)制造微米級(jí)別的微針陣列，微針底座300 μm，長(zhǎng)800 μm，微針間距300 μm，在SEM圖像中展示出良好的形貌和陣列分布。該雙梯度表面的第一個(gè)梯度結(jié)構(gòu)由連續(xù)的凸起島嶼組成，具有側(cè)向不對(duì)稱(chēng)的彎曲，可以促進(jìn)不對(duì)稱(chēng)的液滴鋪展并加速液滴回彈。第二個(gè)梯度由微觀錐形微針陣列組成，錐間距在垂直方向上逐漸變窄，使得液滴能在下落過(guò)程中儲(chǔ)存足夠的毛細(xì)能量并完成快速的動(dòng)能-毛細(xì)能量轉(zhuǎn)換。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，碰撞該表面的液滴在較低的碰撞速度下（韋伯?dāng)?shù)小于9.7）呈現(xiàn)出不對(duì)稱(chēng)彈跳模式，固液接觸時(shí)間減少至13.2 ms；在較高的碰撞速度下（韋伯?dāng)?shù)大于9.7）切換至餅狀彈跳模式，固液接觸時(shí)間進(jìn)一步減少至4.5 ms。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，這種彈跳模式的自適應(yīng)性是由毛細(xì)壓力和動(dòng)態(tài)水壓力的競(jìng)爭(zhēng)，以及水平面上液滴鋪展過(guò)程中的能量重新分布所共同導(dǎo)致。與先前報(bào)道的其他策略相比，該工作設(shè)計(jì)的雙梯度表面結(jié)合了不對(duì)稱(chēng)彈跳和餅狀彈跳的優(yōu)勢(shì)，不需要對(duì)液滴碰撞點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，就可以在較大的韋伯?dāng)?shù)區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的液滴快速脫離，為液滴的快速脫離提供了新的思路。
重慶摩方精密科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“摩方精密”）獨(dú)有的專(zhuān)利技術(shù)——面投影微立體光刻技術(shù)（PμSL），可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜精密零部件快速成型，成為微電子、微流控、精密醫(yī)療、仿生材料、力學(xué)等眾多領(lǐng)域原型器件開(kāi)發(fā)驗(yàn)證和終端零部件小批量制備的最佳選擇。利用摩方精密microArch? S140及microArch? S240均可高效率實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列結(jié)構(gòu)。
由microArch? S140打印制作的空心錐陣列樣件
摩方精密作為目前全球唯一可以生產(chǎn)最高精度達(dá)到2μm精度，且兼具超高細(xì)節(jié)公差控制能力的PμSL光固化3D打印系統(tǒng)提供商。尤其在三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)微加工領(lǐng)域，利用摩方精密microArch? S240設(shè)備可實(shí)現(xiàn)在10μm超高精度基礎(chǔ)上，提升打印體積及打印效率，且能同時(shí)兼容樹(shù)脂和陶瓷材料打印需求。
