Konstgjorda ytor som kan stöta bort vätskor har väckt stor uppmärksamhet över vetenskapliga och industriella plattformar för att skapa funktionella topologiska egenskaper. Men rollen för de underliggande strukturerna som är i kontakt med vätskedroppar är inte väl förstått. Den senaste utvecklingen inom mikro-nanotillverkning kan tillåta forskare att konstruera ett hudmuskelliknande system som kombinerar vätskeavstötning vid gränssnittet, tillsammans med en mekaniskt funktionell struktur. I en ny rapport som nu publiceras i Vetenskapens framsteg , Songtao Hu och ett team av tvärvetenskapliga forskare i Kina, Schweiz och Storbritannien, designade bioinspirerade ytor med svampliknande avstötande huvuden med hjälp av tredimensionell (3-D) direkt laserlitografi. Den flexibla, fjäderliknande stöder förhöjd vätskeavstötning genom att motstå komplexa former av droppnedbrytning och minska kontakttiden mellan droppar och yta. Användningen av fjäderliknande flexibla stöd är en oöverträffad materialforskningsmetod som förbättrade vätskeavstötningen för utmärkt ytkontroll och dropphantering. Arbetet utökade forskningen om avstötande mikrostrukturer för att ge funktionella möjligheter genom att länka funktionella ytor med mekaniska metamaterial.

Samspelet mellan vätskedroppar och fasta gränssnitt på konstgjorda vätskeavvisande ytor är viktigt för självrengöring, mot isbildning, och antireflektionstekniker och för principer för vattenskörd och dropphantering. Forskare är intresserade av att efterlikna morfologiska och kemiska egenskaper hos naturliga ytor för att uppfylla biomimetiska prestanda i labbet. Ett klassiskt exempel är lotuseffekten, som uppvisar vattentätande prestanda genom att kombinera hierarkisk morfologi och vaxbaserade kemiska modifieringar. För att förbättra lotuseffekten i labbet, forskare har härmat springtail-inspirerad topologi med svampliknande, flexibla huvuden ovanpå pelarliknande stöd för att manipulera droppkontakt med ytor. I det här arbetet, Hu et al. förbättrad vätskeavstötning med hjälp av den flexibla mikrostrukturdesignen för att överbrygga gapet mellan två forskningskoncept av funktionella ytor och mekaniska material för att konstruera ett "hudmuskelliknande" system.

Design och tillverkning

Den övre ytan av konstruktionen betedde sig som huden för att ta emot och svara, medan de underliggande stöden spelade muskelrollen för att justera de mekaniska egenskaperna. Arbetet kommer att utlösa en möjlighet till fler funktionaliteter och möjligheter genom att koppla funktionella ytor med mekaniska metamaterial. Genom att använda tvåfotonpolymerisation, teamet skräddarsydda 3D-strukturer på mikronanoskala för att förverkliga svamp-fjäderdesignen. De modellerade först de flexibla ytorna i SolidWorks och konverterade designen till ett stereolitografiformat för tillverkning med en fotoresist på en indiumtennoxid (ITO)-belagd smält kiseldioxid. Teamet belade sedan ytan med kemisk ångavsättning för att få de flexibla fjädrarna att bete sig som styva pelare. Hu et al. stödde också en trampolininspirerad yta där vertikala fjädrar stödde svampliknande huvuden och horisontella fjädrar länkade ihop de intilliggande svampliknande huvudena för att manipulera vätske-fast gränssnittet.

Ytorna på svamp-pelare/svamp-fjädrar visade utmärkt anti-penetrerande kapacitet mot statiska vattendroppar och materialen bibehöll strukturell hydrofobicitet (vattenavstötande) på grund av sin ytbeläggning. Teamet genomförde tester för att förstå spridnings- och studsande beteende hos vattendroppar under olika slaghastigheter och kallade deras former som avsättning (DEP), rebounding (REB) och pinning (PIN) beteende, med en ökad Vi värde (ett icke-dimensionslöst förhållande mellan tröghets- och kapillärkrafter). Till exempel, när den påverkande energin ökade, REB-beteendet ärvde DEP:s plats för att uppvisa ett effektivt kinetiskt motstånd mot händelser av påverkan. Teamet beräknade sedan den maximala spridningsfaktorn som funktion av Vi . Forskarna tillskriver skillnaden i maximal spridningsfaktor mellan olika ytstrukturer viskoelastiskt brott i mjuka material. För att ytterligare förstå spridningsbeteendet för påverkande droppar på mikrostrukturer, Hu et al. upprättat en teoretisk spridningsmodell, att uppskatta utfört arbete (W) för att sprida ut till en maximal diameter på en flexibel eller styv yta.

Forskarna beräknade sedan restitutionskoefficienten, dvs. förhållandet mellan den relativa hastigheten mellan två objekt efter kollision i uppställningen, för att kvantifiera den återstående kinetiska energin hos dropparna efter att de har lyfts från ytor. Deposition/rebound (DEP-REB) övergångarna på sådana ytor avslöjade inte påverkan av flexibel modifiering på restitutionskoefficienten . De diskuterade effekten av flexibla stödmodifieringar på kontakttiden för droppen, vilket berodde på islagsläget. Genom att immobilisera flexibla mikrostrukturer på ett styvt substrat med effektiva tillverkningsstrategier övervann teamet bristerna med droppkontakt.

På det här sättet, Songtao Hu och kollegor överbryggade klyftan mellan två forskningsområden av funktionella ytor och mekaniska material för att implementera ett hudmuskelliknande koncept inom materialytteknik. De designade bioinspirerade svampliknande vattentäta huvuden ovanpå fjäderliknande flexibla stöd för att kinetiskt stöta bort vätskeintrång – lämpade för en mängd olika applikationer. Teamet föreslog en avancerad trampolinliknande struktur för att lösa strukturell instabilitet vid kontakt med droppar. De använde 3-D direkt laserlitografi för mikro-nanotillverkning för att exakt replikera de flexibla ytorna med inställbar vätskeavstötning. Medan den föreslagna Nanoscribe-tekniken för 3D-direktlaserlitografi med hög precision erbjuder snabb prototypteknik, Tekniken måste optimeras för storskalig tillverkning i praktiken. De utvecklade 3-D-utskriftsteknikerna kommer att ge fler alternativ för hög genomströmning i centimeterskala tillverkningseffektivitet.

© 2020 Science X Network