【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】流體的智能操控在基礎(chǔ)研究以及實(shí)際應(yīng)用等方面都有著重要的應(yīng)用，如微流體裝置、自清潔設(shè)備、微反應(yīng)器等。許多生物體表面存在著液體定向輸運(yùn)以滿足其生存所需。例如仙人掌刺可以收集水分并定向輸運(yùn)到它的身體，豬籠草可以捕捉空氣中水分并在其捕蟲器表面定向鋪展，蝴蝶翅膀表面可以定向去除液滴等。研究者受自然界啟發(fā)，制備了一系列具有特殊微結(jié)構(gòu)的表面并實(shí)現(xiàn)了液體的定向輸運(yùn)。但是微結(jié)構(gòu)表面由于微結(jié)構(gòu)尺寸不可調(diào)、表面力學(xué)性能差等缺點(diǎn)限制了其在表面液體精確操控、分選領(lǐng)域的應(yīng)用。
力學(xué)所超常環(huán)境非線性力學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京航空航天大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)等，仿濱鳥喙和豬籠草葉緣的液體輸運(yùn)策略，以電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)為切入點(diǎn)，圍繞液滴驅(qū)動(dòng)和篩選機(jī)制，逐層深入地開展了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與理論研究工作，并成功開發(fā)了一種電場(chǎng)自適應(yīng)潤滑油浸入褶皺表面(EFAWS)。該工作以“Electric-field-adaptive wrinkled surface for tunable liquid manipulation: from precision droplet transport to selective screening”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
本研究將介電彈性體與潤滑劑浸入的光滑表面相結(jié)合，通過設(shè)計(jì)圓環(huán)狀電極，在電場(chǎng)的作用下形成放射狀褶皺結(jié)構(gòu)，且對(duì)電極形狀、電極大小、預(yù)拉伸以及電極材料等影響因素進(jìn)行探究。褶皺幾何形狀和潤滑劑厚度可以通過電場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，通過編程徑向褶皺和潤滑劑厚度來控制液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度，來實(shí)現(xiàn)不同體積液滴的定向傳輸和分選。理論模型揭示了表面變形和潤濕動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系，展示了由潤滑劑厚度控制的尺寸相關(guān)的方向響應(yīng)。EFAWS為設(shè)計(jì)智能界面建立了結(jié)構(gòu)-場(chǎng)-屬性關(guān)聯(lián)性，在微反應(yīng)器、集水和具有多參數(shù)控制功能的智能流體設(shè)備中具有重要應(yīng)用。
圖1 電場(chǎng)自適應(yīng)起皺表面的設(shè)計(jì)。EFAWS的設(shè)計(jì)靈感來自于濱鳥喙喝水時(shí)不對(duì)稱毛細(xì)力和豬籠草籠口邊緣液體潤滑層。在電場(chǎng)作用下可實(shí)時(shí)控制褶皺形貌，用于液滴聚結(jié)、篩選和收集
力學(xué)所特別研究助理李燕為論文第一作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目資助。
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