供稿人:张兵 贺健康 发布日期：2018-04-06
自然界的动植物给我们提供了很多功能性结构的设计灵感，促进了仿生智能结构研究的发展。其中多功能表面的仿生微结构，例如受植物叶子启发的超疏水表面结构，在自清洁、抗腐蚀、油/水分离、微反应器和液滴操作等领域具有极高的科学研究和经济应用价值。经典的超疏水案例是具有莲花叶片效应的超疏水结构，水滴在叶片上形成完美的球形且易于滑落，这是由于叶片上具有微纳米尺寸的疏水性结构，该结构可以用于自清洁。另一个案例是可以吸附水滴的超疏水表面，该结构具有多个独特的打蛋器形状微结构。打蛋器的尖端具有亲水性结构，而其表面布满纳米状的超疏水结构。这样，空气可以长期保持在打蛋器形状内部，使得叶片表面与水可以隔离开，使液滴在叶片表面保持稳定的类球形状态。
图1 自然界中的超疏水结构及其3D打印过程示意图
然而，传统制造技术很难仿造出自然界中复杂的微结构，为了解决这一问题，南加州大学Yong Chen教授课题组采用‘沉浸表面累积三维打印工艺’（Immersed surface accumulation based 3D Printing），制造出了仿生叶片的超疏水打蛋器微结构（图1）。将多壁碳纳米管添加到光固化树脂中以增强微结构的表面粗糙度和机械强度。结果表明，3D打印的打蛋器微结构表面在超疏水性能方面表现优异。打蛋器表面与水滴的粘附力可以很容易地通过设计不同的臂数来调节，可以作为‘微型机械手’来操控微液滴，例如无损转移，分离，反应混合以及三维细胞培养等。此外，该新型仿生结构可以用于油污的吸附和高效油水分离，如图2所示。
图2 所打印的超疏水微结构在微滴操控及油水分离中的应用
该研究提供了一种全新的超疏水结构制备方法，将有助于进一步了解界面润湿状态以及超疏水表面的原理。此外，考虑到3D打印方法的灵活性和有效性，该结构可能在生物医学和环境工程中有着广泛的应用前景，例如微液滴操控，基于液滴的生物检测，药物测试和大批量的油/水分离等。