超润湿性界面的定向液体动力学

自然界中,蜘蛛丝亲水性的仿锤结和仙人掌圆锥形结构的刺可以将空中的微小雾滴定向收集,这种独特而有趣的动态行为(包括不对称扩散,稳定滚动,全弹和定向传输),为界面的定向液体动力学打开了灵感大门,推动了一系列液体在超湿界面的创新和革命,可以在农业灌溉,润滑,除雾,微流体操作等多个领域应用。为了提高可控性,研究人员已尝试使用诸如热,光,磁场和电场之类的外部场来辅助或实现可控的液体动力学。近年来,新兴的定向液体运输应用取得了长足的发展,但仍然存在一些挑战。在这个关键时期,有必要总结和整理关于超润湿界面的定向液体动力学的过去研究,这将有效地指导和激发未来更多的突破性成果。

近日,江雷院士、董智超等人综述讨论并总结了具有超湿性的自然生物和人造表面上的定向液体动力学领域,并提出了一些潜在的策略来构建用于雾气收集,3D打印,能源设备,分离,软机和 传感器设备,可用于驱动液体传输或运动。最后,作者对尚待解决的问题和仍然存在的挑战提出了个人看法,对下一代超润湿性的仿生人造材料有重要指导意义。相关工作以“Directional liquid dynamics of interfaces with superwettability”发表在《Science Advances》

江雷院士、董智超《Sci.Adv》综述:超润湿性界面的定向液体动力学

方向性液体动力学

自然生物表面上的定向液体动力学

为了在恶劣条件下,沙漠甲虫会利用背上疏水槽和亲水凸起的图案从空气中收集雾或水蒸气。在此过程中,小雾滴首先在非蜡质亲水区域上成核,然后形成快速增长的雾滴,并沿着涂有蜡的疏水性斜坡滑落。在具有周期性化学润湿梯度的表面上,液体由化学润湿梯度引起的驱动力FC~W( cosqr−cos qa)移动到具有较高表面能的区域。与表面化学成分梯度相比,由结构梯度引起的驱动力更为显着。例如,蜘蛛丝可以将雾从亲水的纺锤结打结并运输到接头;仙人掌利用茎的圆锥形脊柱移动冷凝水滴以收集水。这是因为由锥体结构引起的拉普拉斯压力差定向液体传输,

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为了实现快速的液体传输,除了驱动力外,还应减小阻力(FR)。瓶子草的毛状体使用独特的层级手性微通道结构来实现超快速的水传输, 输水速度比仙人掌脊柱上的水流速度快三个数量级。这种差异是因为在三角毛锥周围,在多个通道内部形成了快速的水薄膜,从而显着降低了输送水的运动阻力。与干燥的表面相比,水倾向于沿着潮湿的表面以更快的速度滑动。除了滴落运动之外,毛细管上升行为还可以触发连续的水向运动。上升过程的物理机制,归纳为“Lucas-Washburn方程”,

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结合了表面张力,粘性阻力,惯性力和重力的相互作用还有许多生物利用其独特的结构,在自穿透效应和由刚度梯度引起的沿单个圆锥体的扫掠效应协同作用下,定向排出水,以防止污染,保持干燥和快速行走。

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图1 生物表面上的液体动力学图

外部场诱导的定向液体动力学梯度

为了实现相关领域中应用的受控且快速的液体定向传输,需要执行外部刺激(例如热,光,磁和电)以触发液滴运动。具有表面张力场的液体沿其梯度流动,可以通过直接或间接的热相互作用来建立这种梯度,引起相邻的液滴自主且有方向地运动。挥发性液滴可以在其自身的蒸气上方悬浮在温度比液滴沸点高得多的固体上,因此不对称结构的棘轮,可以操纵莱顿弗罗斯特液滴的快速运动和定向运输。当光热效应添加剂改变液体性质时,光热纳米粒子在光照环境下会产生热量,将液体转变为蒸气引起的表面张力梯度,加速了定向的液体运动,并驱动油在液-液界面处运动。

在所有下降运动驱动策略中,磁驱动具有独特的优点,包括非接触式实时控制,快速响应,无特定环境要求以及与当前生物医学技术的出色兼容性。设计原理可以扩展为两种不同的类别:将磁性颗粒添加到液滴中;磁场引起的表面变形。通常,一个超顺磁性液滴,其本身可以是磁性的,也可以嵌入磁性粒子,可以响应外部磁场而移动。在梯度磁场下,超顺磁性液滴被高磁场区域吸引,提供了一种无需使用泵、阀门或微流控容器来操纵和监测小体积液体液滴运动、聚结和疏水表面分裂。

在交流电场的作用下,带电的物体可以吸引不带电的物体在基板表面上移动。通过向液体中添加导电剂或注入电荷可以降低操作的复杂性,从而可以实现液滴的吸引或排斥。液滴驱动的物理原理,可以解释为液滴弯液面(对于导电液体)或液滴内部的偶极子(在液体中)中的自由电荷上产生的电现象。这些力可以通过在液滴周围的任意表面上积分麦克斯韦-应力张量来计算。

江雷院士、董智超《Sci.Adv》综述:超润湿性界面的定向液体动力学

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图2.通过外部刺激操纵液体动力学。

新兴应用

超级可湿性现在在众多应用中扮演着越来越重要的角色。特别是,最近的研究集中在这些材料在雾收集,3D打印,能源设备,液-液分离,软机械,传感器等领域的应用。

江雷院士、董智超《Sci.Adv》综述:超润湿性界面的定向液体动力学

小结:作者综述中所强调的超级润湿性系统-控制定向液体动力学是建立在综合创新的基础上的,在广阔的未来前景中,如果能在利用天然生物优良的结构模型的同时,结合界面结构变形和外部激励,可以在超润湿性的界面上方便地实现液体定向输送。各种学科,包括化学、物理、工程和生物学,在液体动力学和超润湿性的界面领域相互作用,并集成到新的应用装置中,在农业、工业以及日常生活中有着潜在的应用前景。

原文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/37/eabb5528

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