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《ACS AMI》:师法自然,竹叶仿生结构可随心定向操纵液滴

2023/2/23 10:02:14  阅读:137 发布者:

以下文章来源于EngineeringForLife ,作者EFL

近日,来自韩国忠南国立大学的Seong Min Kang教授团队进行了Bioinspired 按需定向液滴操纵表面的相关研究。研究成果以“Bioinspired On-Demand Directional Droplet Manipulation Surfaces”为题于20221227日发表在《ACS AMI》上。

本文利用自然启发分层结构的特性,提出了能够按需定向操纵液滴的表面。首先研究人员制造了一个模拟竹叶微线型聚二甲基硅氧烷结构,并将二氧化硅颗粒嵌入其表面以创建分层结构。所制造的多尺度线状结构沿前进方向表现出各向异性的润湿特性。随着嵌入颗粒尺寸的增加,垂直滚落角(ROA)减少,各向异性滚落特性消失。采用荷叶特性,制造的表面同时表现出竹子和荷叶的特征。通过改变同一表面上二氧化硅颗粒大小,可以通过不同ROA来控制滚落。

该表面基于竹叶结构,在平行方向和垂直方向上接触角和滚落角(ROA)因为有微细大线和小线而具有不同各向异性滚落特性。而受荷叶启发的结构特点是其在所有方向上都具有超疏水特性。在微型突起形成纳米级颗粒,使其具有超疏水性。嵌入的纳米颗粒线条结构具有两种特性:荷叶特性和竹叶特性。可以通过在同一表面上嵌入不同大小纳米颗粒来控制液滴ROA差异。

5wt %二氧化硅颗粒在乙醇中悬浮液合成为最佳比例,小于5wt %颗粒数量过少,表面不完美。过程首先将悬浮液倒在预先准备好的NOA 73模具上,用玻璃刀在结构之间进行渗透,并从结构上表面去除剩余颗粒。然后将样品放在烘箱内5分钟除去乙醇,重复3次以增加NOA73模具结构之间的颗粒量。最后,使用PDMS软光刻技术获得SEHL。样品沿微线方向进行脱模,尽量减少结构损伤。SEHL图案尺寸固定高度和结构宽度分别为1520μm,有不同的间距。直径为0.51.5微米的二氧化硅颗粒均匀形成在宽度为20微米、高度为15微米的微线上。在SEHL1SEHL2中形成间距分别为2060微米。

当观察方向与线条方向重合时,称为"平行"。当观察方向与线方向成直角时,称为"垂直"。横截面视图中,样品形状为荷叶型柱状结构,所有制备的样品在平行方向上的CA超过155°。垂直方向上的CA低于150°,因为水滴容易沿平行方向扩散。当颗粒在微线表面产生时,颗粒阻碍了水滴的扩散,增加垂直方向上的CAsSEHL2-1.5具有几乎相同的平行和垂直的CA。随着颗粒大小增加,形成的气穴大小也在增加,减少了水滴和表面之间的接触面积,降低了ROA。平行方向上,颗粒大小的影响很低,因为液滴会沿着线条滚动。在垂直方向上,颗粒大小的影响很高。随着颗粒大小的增加,垂直方向的CA增加,垂直方向的ROA减少,表明竹叶的特性改变为荷叶的特性。

为研究是否可以在同一表面形成不同大小纳米颗粒来控制ROA,研究人员在同一表面上用不同尺寸纳米颗粒制作了复合PDMS图案。将PDMS混合物倒入刻有SEHL2图案的NOA73模具中,随后进行硬化。1.5μm的二氧化硅颗粒悬浮液倒入,填补移除PDMS留下的空隙,随后进行刮削。用胶带密封模具,以防止其他悬浮液的进入。完成的复合PDMS图案由三部分组成。1.5微米大小的二氧化硅嵌入第一部分,0.5微米大小的二氧化硅嵌入第二部分,第三部分是光的,没有任何二氧化硅。测量的ROA受到颗粒大小强烈影响。以上结果表明ROA可以通过在表面嵌入不同尺寸的颗粒来控制。

总之,本文提出了一种生物启发的多尺度线状结构,可以操纵表面上的液滴。传统的微电子机械系统(MEMS)用来制造两种带有线条图案的硅片。第一个图案,标记为SEHL1,其宽度、间距和高度分别为202015μm,而第二个图案,标记为SEHL2,其宽度、间距和高度分别为206015μm。使用直径为0.51.5微米的二氧化硅颗粒,制备了两种类型的二氧化硅悬浮液。通过将二氧化硅颗粒嵌入线型获得PDMS微米/纳米多尺度结构。使用液滴分析仪测量了SEHLDI水滴的CAROA。随着颗粒大小的增加,垂直CA增加,垂直ROA减少,导致DOA减少,并伴随从竹叶特征到荷叶特征的转变。可以利用结构的间距和方向以及嵌入颗粒的大小来调整所需的滚降角。本研究方法可以应用于与智能液滴操纵系统相关的各种领域,如微流控和生物分析等。

文章来源:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.2c17055

转自:i学术i科研”微信公众号

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