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《Advanced Science》耐磨的智能超疏水纤毛!

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受自然界中的纤毛启发,智能柔性表面——一种布满了受外场(例如磁场)控制的柔性纤毛表面——受到了越来越多的关注。优于传统表面,智能柔性表面在外部刺激下,纤毛的形貌能被实时控制,从而调控表面性质。这一特性使它在微流控、微型机器人、智能织物、自清洁和防/除冰等领域有广阔的潜在应用前景。然而纤毛的柔性和高长径比,使其易被机械冲击或刮擦损坏,导致现有的柔性纤毛阵列并不适用于真实的工作环境。为了让智能柔性纤毛表面走向广泛应用和产业化,亟需开发一款能承受外部冲击和耐磨的智能纤毛表面。


近日,广东以色列理工学院机械系姜又华副教授团队成功研发出一款“耐磨的智能超疏水纤毛表面”。本工作创新性地把柔软的纤毛表面与坚固的“井字形”金属框架相结合,让纤毛水平排布在金属框架的侧壁上。当表面受到外力伤害时,表面处于保护模式,这时金属框架高于纤毛,为纤毛提供了有效的保护。即使受到了高强度的磨损,金属框架受到损害,上层的纤毛随框架顶端一同被损耗,下层的纤毛依然能够保持结构完好和功能正常(图1)。当表面进入工作模式,对表面施加一个磁场,水平排布的纤毛将从框架中伸出,进而控制表面上的液滴行为。该研究克服了柔性智能表面不耐用的缺点,率先设计并制备出了耐磨的柔性智能表面,为柔性智能表面产业化迈出了长远的一步。


图1. 耐磨智能纤毛阵列的设计思路。

该表面展现出了卓越的耐磨性(图2)。相较于传统柔性智能表面在一个较低的法向载荷(4 N)下“一磨就坏”,该耐磨的柔性智能表面能在较高的法向载荷(20 N)下反复磨损,直至金属框架的高度减少20%,仍然能保持较好的超疏水性和实现液滴定向传输和操控的功能。


图2. 耐磨智能纤毛阵列的磨损测试及磨损后的功能测试。

该表面的自清洁功能使得其对灰尘有很好的抗性(图3)。当表面上积聚了一层灰尘后,通过磁场控制纤毛摆动、气流吹拂、或水流冲洗,表面的灰尘可被轻易去除。之后,表面仍然展现出良好的超疏水性和主动操控物体的功能。


图3. 耐磨智能纤毛阵列的抗灰尘测试。

在耐酸碱的性能方面(图4),该表面能够在pH值为2的酸性溶液中,或pH值为12的碱性溶液中浸泡24小时,依旧保持良好的超疏水性和液滴操控能力。在pH值为0的酸性溶液中浸泡24小时后,纤毛中的铁粉会被酸性溶液完全反应,这时纤毛变得透明并失去磁响应性,但超疏水涂层未被损坏,液滴撞击表面仍能保持较低的接触时间,超疏水性良好。在pH值为14的碱性溶液中浸泡24小时候,表面失去超疏水性,但由于碱性溶液不与铁粉发生反应,纤毛仍然具有磁响应性,可以对固体小球进行操控。


图4. 耐磨智能纤毛阵列的抗酸碱性测试。

该表面还能实时调节液滴的黏附力(图5),通过改变纤毛的倾斜方向,改变液滴在纤毛上特定运动方向的运动特征,进而调控液滴在特定方向上的黏附力,最终使液滴在振动中定向移动。


图5. 基于液滴粘附力的表面表征。

在液滴撞击动态方面(图6),耐磨的智能纤毛阵列依旧展现出对液滴接触时间的强大的调控能力。用20uL液滴从6 cm的高度释放撞击框架宽度w=0.5 mm的耐磨的智能纤毛阵列,当纤毛处于自然状态(水平)时,液滴的接触时间约为18.2 ms;当用磁场控制纤毛直立(垂直)时,液滴的接触时间骤降为8 ms,接触时间降低了超过50%。这是由于直立的纤毛间隙能使一部分液滴动能转化为毛细能,在液滴上跳的过程中,这一部分毛细势能得到释放,转化为液滴上跳的动能,使液滴在收缩前快速离开表面,展现出了饼状弹跳的特性,使接触时间大幅降低。


图6. 基于液滴撞击动力学的表面表征。

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