香港城市大学研究人员使用3D打印宏观棘轮来控制流体

2023年5月13日，南极熊获悉，来自香港城市大学的研究人员开发了一种通过3D打印宏观棘轮来调节表面液体扩散动力学的新方法，该方法可实现有选择性地改变液体的扩散方向。

实现液体的良好控制方向转向对于基础研究和实际应用（例如微流体、生物医学和热管理）都具有重要意义。传统上，人们认为液体的扩散方向完全由表面设计决定，无法定制。这项新的研究通过证明具有不同表面张力的液体可以在同一个表面上选择它们的扩散方向而对这一概念提出挑战。

这项研究以题为“Selective liquid directionalsteering enabled by dual-scale reentrant ratchets/由双刻度重入棘轮实现的选择性液体定向转向”的论文被发表在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上。

相关论文链接 ：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/acccbc

研究亮点

• 开发了一种由周期性排列的双刻度折返棘轮组成的新表面，以实现液体定向转向，这是通过简单的3D打印工艺制造的，消除了传统设计中物理或化学后处理的必要性。
• 有别于需要消除3D打印过程中产生的微槽状表面缺陷的传统设计，我们利用逐层打印特性制造了具有可调多尺度形貌的折入棘轮，为开发多功能分层结构提供了新的见解。
• 发现双尺度折返棘轮的微槽可以促进或延迟液体的局部流动，其调整甚至可以使液体选择不同的路径。
  

3D打印宏观棘轮

香港城市大学最新的进展允许不同表面张力的液体在由具有双重入曲率的宏观棘轮组成的同一表面上选择它们的扩散方向。实现这种定制的关键在于使用了具有双重入曲率的 3D 宏观棘轮。这些复杂的结构可以使用 3D 打印制造，但逐层打印过程会引入类似微槽的表面缺陷。以前的方法需要额外的抛光处理来消除这些缺陷，增加了复杂性并限制了实际应用。

3D 打印的宏观棘轮（顶部）和层线（底部）。（图片来源：Jing Sun 等）

在这项研究中，研究人员采用了不同的方法。他们没有消除表面缺陷，而是利用它们来调节液体的扩散相图。通过设计带有微槽的简化双刻度棘轮，他们能够实现类似于自然现象中发现的液体定向转向。

进一步的实验表明，微槽的方向在调节具有适度润湿性的液体中起着至关重要的作用。

香港理工大学机械工程系研究员 Zuankai Wang 表示：“它提供了一种易于制造或复制的新表面设计，同时不会牺牲液体定向转向的功能。垂直于棘轮倾斜方向排列的微槽用作延迟阀，以减缓液体在棘轮侧表面的扩散，而平行于棘轮倾斜方向的微槽会由于毛细管芯吸作用促进液体扩散，因此后者更有利于液体的后向扩散。”

双刻度重入棘轮的设计和制造。(a) 基于数字光处理的 3D 打印设置示意图。(b) 可重入棘轮的俯视和侧视扫描电子显微镜 (SEM) 图像。(c, d) 具有微槽的重入棘轮的 SEM 图像，分别垂直和平行于棘轮倾斜方向排列。

液体扩撒

这项研究的结果挑战了传统思维，并为设计和制造能够精确控制液体扩散的表面开辟了新的可能性。研究人员现在正在更深入地研究液-固相互作用的机制，并探索通过将不同成分融入材料中可以实现的其他功能。

带有垂直和平行微槽的棘轮上的液体扩散动力学。(a)、(b) 水/乙醇混合物（乙醇质量分数f = 0.09）的快照在具有垂直微槽的棘轮上向前传播，在具有平行微槽的棘轮上向后传播。(c)传播距离X随时间t的变化，其中X的正值和负值分别表示向前和向后传播。(d) 相图，分别描绘了液体在具有垂直和平行微槽的棘轮上的扩散方向。总的来说，具有θ 的液体从 ∼40° 到 60° 的范围在这两种表面上表现出不同的扩散方向，如红色区域突出显示的那样。

这项研究展示了如何利用看似不需要的表面缺陷来创造功能性表面，变废为宝。通过拥抱和理解微型结构的复杂性，工程师可以在各个领域开启新的应用，包括油水分离、集水、热管理、微流体、先进制造和仿生学。

Wang表示：“我们所知道的只是冰山一角，可以采用更先进的可视化工具来揭示液体和固体结构如何在微观尺度上相互作用，或者我们甚至可以通过向材料中添加不同的成分来引入其他功能。”

液体动力学研究的可能性是巨大的，进一步的研究无疑将揭示更多关于这些创新的液体操作方法的潜力。