香港城市大學研究人員使用3D打印宏觀棘輪來控制流體

2023年5月13日，南極熊獲悉，來自香港城市大學的研究人員開發(fā)了一種通過3D打印宏觀棘輪來調節(jié)表面液體擴散動力學的新方法，該方法可實現有選擇性地改變液體的擴散方向。

實現液體的良好控制方向轉向對于基礎研究和實際應用（例如微流體、生物醫(yī)學和熱管理）都具有重要意義。傳統(tǒng)上，人們認為液體的擴散方向完全由表面設計決定，無法定制。這項新的研究通過證明具有不同表面張力的液體可以在同一個表面上選擇它們的擴散方向而對這一概念提出挑戰(zhàn)。

這項研究以題為“Selective liquid directionalsteering enabled by dual-scale reentrant ratchets/由雙刻度重入棘輪實現的選擇性液體定向轉向”的論文被發(fā)表在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上。

相關論文鏈接 ：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/acccbc

研究亮點

• 開發(fā)了一種由周期性排列的雙刻度折返棘輪組成的新表面，以實現液體定向轉向，這是通過簡單的3D打印工藝制造的，消除了傳統(tǒng)設計中物理或化學后處理的必要性。
• 有別于需要消除3D打印過程中產生的微槽狀表面缺陷的傳統(tǒng)設計，我們利用逐層打印特性制造了具有可調多尺度形貌的折入棘輪，為開發(fā)多功能分層結構提供了新的見解。
• 發(fā)現雙尺度折返棘輪的微槽可以促進或延遲液體的局部流動，其調整甚至可以使液體選擇不同的路徑。
  

3D打印宏觀棘輪

香港城市大學最新的進展允許不同表面張力的液體在由具有雙重入曲率的宏觀棘輪組成的同一表面上選擇它們的擴散方向。實現這種定制的關鍵在于使用了具有雙重入曲率的 3D 宏觀棘輪。這些復雜的結構可以使用 3D 打印制造，但逐層打印過程會引入類似微槽的表面缺陷。以前的方法需要額外的拋光處理來消除這些缺陷，增加了復雜性并限制了實際應用。

3D 打印的宏觀棘輪（頂部）和層線（底部）。（圖片來源：Jing Sun 等）

在這項研究中，研究人員采用了不同的方法。他們沒有消除表面缺陷，而是利用它們來調節(jié)液體的擴散相圖。通過設計帶有微槽的簡化雙刻度棘輪，他們能夠實現類似于自然現象中發(fā)現的液體定向轉向。

進一步的實驗表明，微槽的方向在調節(jié)具有適度潤濕性的液體中起著至關重要的作用。

香港理工大學機械工程系研究員 Zuankai Wang 表示：“它提供了一種易于制造或復制的新表面設計，同時不會犧牲液體定向轉向的功能。垂直于棘輪傾斜方向排列的微槽用作延遲閥，以減緩液體在棘輪側表面的擴散，而平行于棘輪傾斜方向的微槽會由于毛細管芯吸作用促進液體擴散，因此后者更有利于液體的后向擴散�！�

雙刻度重入棘輪的設計和制造。(a) 基于數字光處理的 3D 打印設置示意圖。(b) 可重入棘輪的俯視和側視掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。(c, d) 具有微槽的重入棘輪的 SEM 圖像，分別垂直和平行于棘輪傾斜方向排列。

液體擴撒

這項研究的結果挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)思維，并為設計和制造能夠精確控制液體擴散的表面開辟了新的可能性。研究人員現在正在更深入地研究液-固相互作用的機制，并探索通過將不同成分融入材料中可以實現的其他功能。

帶有垂直和平行微槽的棘輪上的液體擴散動力學。(a)、(b) 水/乙醇混合物（乙醇質量分數f = 0.09）的快照在具有垂直微槽的棘輪上向前傳播，在具有平行微槽的棘輪上向后傳播。(c)傳播距離X隨時間t的變化，其中X的正值和負值分別表示向前和向后傳播。(d) 相圖，分別描繪了液體在具有垂直和平行微槽的棘輪上的擴散方向�？偟膩碚f，具有θ 的液體從 ∼40° 到 60° 的范圍在這兩種表面上表現出不同的擴散方向，如紅色區(qū)域突出顯示的那樣。

這項研究展示了如何利用看似不需要的表面缺陷來創(chuàng)造功能性表面，變廢為寶。通過擁抱和理解微型結構的復雜性，工程師可以在各個領域開啟新的應用，包括油水分離、集水、熱管理、微流體、先進制造和仿生學。

Wang表示：“我們所知道的只是冰山一角，可以采用更先進的可視化工具來揭示液體和固體結構如何在微觀尺度上相互作用，或者我們甚至可以通過向材料中添加不同的成分來引入其他功能�！�

液體動力學研究的可能性是巨大的，進一步的研究無疑將揭示更多關于這些創(chuàng)新的液體操作方法的潛力。