来源:Micromachines 发布时间:2021/6/18 18:49:49
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北京航空航天大学陈华伟教授及其团队——用于液体单向输运的仿生微结构通道 | MDPI Micromachines

论文标题:Surface-Tension-Confined Channel with Biomimetic Microstructures for Unidirectional Liquid Spreading(基于仿生微观结构的单向液体扩散表面张力约束通道)

期刊:Micromachines

作者:Yi Zhang, Yang Gan, Liwen Zhang, Deyuan Zhang and Huawei Chen

发表时间:30 October 2020

DOI:10.3390/mi11110978

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期刊链接:

https://www.mdpi.com/journal/micromachines

液体自发单向运输在雨水收集、液滴转移、油水分离以及微流控等各个领域有着广泛的应用前景。然而,如何提高液体运动的可控性以及简化输运表面制作仍有待提高。

受猪笼草口缘结构的启发,来自北京航空航天大学的陈华伟教授及其团队在Micromachines发表了题为“Surface-Tension-Confined Channel with Biomimetic Microstructures for Unidirectional Liquid Spreading”的研究成果,通过紫外光刻和局部等离子处理技术,成功设计制备出一种具有仿生微腔的表面张力限制通道。该通道可以完美实现非对称液体铺展,并表现出十分稳定的钉扎效应,可以应用于微流控设备、微化学反应器及芯片实验室等各领域。

实验设计

图1a所示为猪笼草口缘区的多级结构,其中多级微沟槽以及楔形孔的弧形边缘和楔角是猪笼草口缘实现液体快速单向传输的重要因素。受此启发,作者设计出如图1b所示具有仿生微结构以及亲疏水相间图案的表面张力限制通道。首先通过光刻和聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 复制成型制备了具有弧形凹坑阵列的基底,再用局部等离子处理技术,在基底上制备亲-疏水相间的条纹图案,从而得到该表面张力限制通道。当液体在该通道内流动时,液体的横向流动被疏水边界所限制,而反向流动被微孔弧形边缘抑制,从而确保液体只会按所需方向流动。

图1. (a) 猪笼草口缘表面的多级微结构;(b) 具有仿生微腔结构和浸润性图案的液体单向运输表面示意图;(c) 液体单向运输表面制备过程示意图;(d) 液体单向运输表面表征。

另外,本文中还通过比较不同状态下液体单向运输表面的液体传输行为差异,对通道表面设计参数以及微腔结构对各向异性液体传输的影响进行了系统地研究。

表面张力限制通道中液体铺展行为

图2展现了表面张力限制通道中液体铺展过程。液体与通道刚接触时,在惯性作用下趋向于对称铺展 (图2a),接着在-S方向上,液体流动在几十毫秒内被快速截止,并沿着亲水区域向+S方向单向铺展,直至形成细长的液体运动路线,而液体后部一直保持静止 (图2b)。如图2c所示,与其他文献中报道的梯度润湿性或图案化润湿性的单向液体扩散表面相比,本文中设计的通道表面可以实现远距离、快速液体传输,更加具有优势。

图2. 表面张力限制通道上液体单向传输行为观测:(a) 俯视图;(b) 侧视图。红色及橙色虚线分别表示疏水边界和液体滴加位置。(c) 润湿性梯度 (蓝) 表面和润湿性图案化 (红) 表面以及本文通道表面的液体铺展速度和归一化参数L/R (L传输距离,R液滴半径) 的比较。

通道参数对于液体单向铺展的影响

实验表明,条状亲水区宽度不同时,液体在+S方向上的传输表现出明显差异性,宽度越大,液体运动越快,且在含有微腔结构的通道上,液体运动速度远大于在光滑的通道表面,说明凹坑阵列的存在可以增加液体输运能力。对于该仿生微腔结构,楔形角是阻止液体反向运动的关键,可以通过改变曝光过程中SU-8基板与紫外光之间的夹角进行控制。当亲水区宽度一致时,在相同的时间间隔内,液体在+S方向上的铺展距离和平均铺展速度随着楔形角的增大而降低。另外,如果将PDMS块放置在液体运动轨迹的前方,并不断注入液体,液体在通道中间逐渐积累,直至从疏水边界溢出,整个过程中,液体后部始终被钉扎在凹坑边缘,证明了该通道优异的单向液体铺展能力以及稳定的钉扎效应。本文还研究了凹坑尺寸参数对液体单向铺展的影响,随着凹坑尺寸增大,+S方向上的液体铺展速度明显变慢,-S方向上,尽管凹坑的楔形角基本保持一致,但具有更大凹坑尺度的通道表现出更强的钉扎能力。

液体单向输运通道表面的应用

表面张力限制下的液体单向运输通道不仅可以在水平方向上实现液体传输,同样也可以在三维空间中实现。当将通道表面倒置或斜放时,液体依旧可以自发铺展,且速度几乎不受影响,这种自发进行的反重力单向传输可以应用于3D微流控系统。通过控制凹坑阵列的排布、疏水基底上亲水性图案的设计,可以灵活调节液体的运动路径,从而用于开放性微流控装置液体运动轨迹操控。图3c展示了Y形液体分流器,液体首先沿主通道传输,然后在交叉处,沿子通道被分为两股液流。图3d展示了概念化的微化学反应器,用微注射器将硫氰酸铵和氯化铁的水溶液分别滴加在两条子通道中,液体在主通道中混合后反应产生硫氰酸铁,液体由透明迅速变成了红棕色。

图3. (a,b) 液体沿预设的矩形及圆形运动轨迹进行连续单向铺展。(c) Y形液体分流器。(d) 氯化铁溶液和硫氰酸铵溶液的微反应器。

研究结论

综上所述,本文主要提出了一种化学浸润性图案和物理仿生微结构相结合的仿生通道,可以实现优异的单向液体铺展。并且系统地研究了各结构参数对于单向液体铺展行为的影响。其中,亲水通道宽度及微腔尺寸对于液体传输行为有着重要的影响,当亲水通道宽度较大而微腔尺寸较小时,液体前向铺展速度加快。此外,液体在通道表面钉扎效应的稳定性也得到验证,反向流动仅会因为惯性作用发生在液体刚接触表面的极短时间内。通过分析液体前缘的微观铺展行为和钉扎效应,解释了其内在机制。最后,通过设计通道的各项参数,实现了二维平面和三维空间范围上液体运动路径的自由控制。这项工作为微流控装置和微反应器的低成本制作以及高效发展提供了新的思路与方法。

期刊简介

Micromachines (ISSN 2072-666X, IF 2.523) 是MDPI 组织出版的国际型开放获取期刊。期刊研究内容涉及微/纳米结构、材料、器件、系统及与微纳技术相关的基础研究及应用。目前期刊已被SCIE、Ei Compendex、Scopus等数据库收录。Micromachines采取单盲同行评审,一审周期约为12.6天,文章从接收到发表仅需1.9天。

 
 
 
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