可用于抗菌和防冰應(yīng)用的混合液滴定向彈跳的結(jié)構(gòu)化表面

近日，西南科大制造學(xué)院微納仿生制造團隊提出了一種非對稱誘導(dǎo)傾斜階梯蘑菇狀微柱結(jié)構(gòu)的方法用于混合液滴的定向彈跳，并以“Directional rebound of compound droplets on asymmetric self- grown tilted mushroom-like micropillars for anti-bacterial and anti-icing applications”為題，發(fā)表在國際著名期刊Chemical Engineering Journal上。制造學(xué)院青年教師楊益為論文的第一作者，制造學(xué)院李國強教授、中國科大胡衍雷教授為共同通訊作者。

液滴撞擊固體表面是自然界和工業(yè)應(yīng)用中非常普遍的現(xiàn)象，其適當利用可以解決各種生物、環(huán)境和健康問題。目前在諸多研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大的進展，利用仿生幾何結(jié)構(gòu)和潤濕性機制以實現(xiàn)液滴在固體表面上的定向彈跳現(xiàn)象已受到研究人員的廣泛關(guān)注。目前的研究主要集中在由水組成的液滴上，但自然界中的這些液滴大多以混合液滴的形式存在，其表面張力往往比水低。混合液滴在自清潔抗菌、農(nóng)藥噴灑、防結(jié)冰和熱傳導(dǎo)等方面都具有重要的應(yīng)用。然而，由于超疏水表面提供的突破壓力有限，實現(xiàn)混合液滴的定向彈跳仍然是一個挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計和制造一種能夠?qū)崿F(xiàn)混合液滴定向彈跳的結(jié)構(gòu)化表面，理解混合液滴的擴散、飛濺和定向彈跳行為是至關(guān)重要的。

針對以上問題，該研究設(shè)計了一種新穎的傾斜蘑菇頭結(jié)構(gòu)，可以定向引導(dǎo)混合液滴反彈到固定區(qū)域。該表面由傾斜的階梯蘑菇狀微柱組成，這些微柱是由飛秒激光誘導(dǎo)的不對稱自生長在不收縮聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）膠帶/可收縮聚苯乙烯（PS）雙層薄膜上制成的。通過激光掃描可以精確地調(diào)整蘑菇頭狀微柱的傾角和形貌。這種特殊的設(shè)計主要基于兩個主要原因：首先，受到彈尾魚表面的啟發(fā)，它可以在含油污水中自由呼吸數(shù)天，這種蘑菇狀結(jié)構(gòu)的引入增加了液體滲透的能量屏障。第二，傾斜階梯式結(jié)構(gòu)可以誘導(dǎo)液滴發(fā)生斜向準煎餅式彈跳，不僅可以減少液滴的彈跳時間，而且可以使液滴定向彈跳到固定區(qū)域。一系列的抗菌和防結(jié)冰實驗表明，混合液滴的可控反彈行為使其有望成為醫(yī)療和環(huán)境應(yīng)用的合適方案。



圖1 飛秒激光在PET膠帶/PS雙層表面非對稱誘導(dǎo)自生長制備傾斜階梯蘑菇狀微柱



圖2 傾斜階梯蘑菇頭狀微柱在抗菌及防冰方面的應(yīng)用

綜上所述，該研究為混合液滴的定向彈跳研究以及應(yīng)用領(lǐng)域方面提供了一種全新的思路，在環(huán)境、健康、能源等應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的學(xué)術(shù)價值。審稿人認為這項工作提供了一種新穎的方法，通過對彈尾蟲結(jié)構(gòu)的仿生研究，制作出的可引導(dǎo)混合液滴定向彈跳的傾斜階梯蘑菇狀微柱結(jié)構(gòu)對于一些重要領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

本課題將前沿的仿生設(shè)計理念與尖端的微納精密制造技術(shù)相結(jié)合，致力于防冰抗菌領(lǐng)域等難題的解決，選題體現(xiàn)了基礎(chǔ)研究面向環(huán)境能源等領(lǐng)域需求、堅持“問題導(dǎo)向”的原則，體現(xiàn)了材料學(xué)、力學(xué)、納米技術(shù)等多學(xué)科交叉、融合等特點和特色。

審核編輯：劉清