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南開曹墨源課題組《Adv. Mater.》：雙重不對(duì)稱超親水折疊通道上的增強(qiáng)流體收集過(guò)程
2023-02-22  來(lái)源：高分子科技


  自發(fā)定向的流體輸運(yùn)過(guò)程是動(dòng)植物實(shí)現(xiàn)高效低耗行為的關(guān)鍵之一。例如，沙漠中的德克薩斯角蜥能夠利用微尺度排列的鱗片通道主動(dòng)吸水。豬籠草能夠?qū)?rùn)滑劑自發(fā)運(yùn)輸?shù)狡靠，形成光滑的捕蟲界面。向自然界學(xué)習(xí)，生物啟發(fā)的流體操控界面被廣泛應(yīng)用于液體收集，多相催化等領(lǐng)域。通過(guò)將超親水表面與折疊結(jié)構(gòu)相整合，南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院曹墨源課題組仿生構(gòu)筑了具有雙不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的仿貝殼狀超親水開放通道（圖1）。所制備的三維雙不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的液體通道僅通過(guò)毛細(xì)力就可以主動(dòng)捕獲包括液滴，大通量液流以及中高溫蒸汽在內(nèi)的多種液體，實(shí)現(xiàn)不依賴重力的液體輸運(yùn)和收集。借助仿生雙不對(duì)稱結(jié)構(gòu)和超親水基底，通道的液體輸送能力也得到了極大地提高。此外，將該材料與輻射制冷層進(jìn)一步結(jié)合，研究者設(shè)計(jì)了一種能夠定向收集液體以及輻射制冷的冷凝器，證明了材料的可集成性和多功能性。相關(guān)研究論文近期發(fā)表于Advanced Materials (2023, 2211596)。 


圖1：仿貝殼狀超親水折疊通道（S-SLO）的設(shè)計(jì)思路以及獨(dú)特的流體輸運(yùn)過(guò)程。（a）S-SLO優(yōu)秀的流體輸運(yùn)性能。（b）S-SLO的液滴定向輸運(yùn)過(guò)程，液滴在不對(duì)稱折疊通道的寬的一端不斷滴加，被通道捕獲并定向輸運(yùn)到窄端。（c，d）S-SLO的設(shè)計(jì)方法以及不同表面流體輸運(yùn)過(guò)程差異。


  為了制備仿貝殼狀超親水折疊通道，研究者首先將未經(jīng)過(guò)修飾的鋁箔表面處理為超親水，之后將其折疊為平行通道，最后再次折疊，將平行通道進(jìn)一步塑形為扇形不對(duì)稱通道。在這個(gè)過(guò)程中，表面和垂直向上噴射的水流的交互過(guò)程也在逐漸發(fā)生變化，從在未處理的表面直接滴落，轉(zhuǎn)變?yōu)樵诔H水表面無(wú)序鋪展，進(jìn)一步在平行通道中轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的雙向擴(kuò)散，最終在雙不對(duì)稱通道中實(shí)現(xiàn)液體的定向輸運(yùn)。當(dāng)水大量噴射時(shí)，超親水折紙就像一個(gè)液體 "黑洞"，水可以從扇形表面的任意位置進(jìn)入仿貝殼狀超親水折疊通道，但只能從一個(gè)點(diǎn)被收集。 


圖2：平行超親水折疊通道中的液滴逆重力輸運(yùn)。（a）超親水通道中的雙向鋪展。（b）未處理的通道無(wú)法實(shí)現(xiàn)液體鋪展。（c，d）液體在超親水表面中逆重力鋪展的機(jī)理。


  表面的超親水性是決定液體能夠在平行通道中逆重力鋪展的關(guān)鍵。隨著連續(xù)的液滴注入，超親水平行通道能將液滴迅速抬升并實(shí)現(xiàn)雙向鋪展。相反，液滴會(huì)釘扎在未處理的通道表面，并直接滴落。這是由于液滴在接觸超親水溝道時(shí)會(huì)迅速形成明顯的彎曲液面，彎曲液面帶來(lái)的毛細(xì)力提供了其在通道內(nèi)鋪展的動(dòng)力。而液滴在未處理的表面的鋪展過(guò)程中，彎曲液面會(huì)逐漸消失，因此喪失了鋪展能力。 


圖3：流體在S-SLO內(nèi)的定向輸運(yùn)。（a）仿貝殼狀超親水折疊通道（S-SLO）能夠引導(dǎo)液體定向輸運(yùn)到扇形的窄端被收集，而平行超親水折疊通道則不具備這種能力。（b，c）液體在S-SLO內(nèi)定向輸運(yùn)的機(jī)理。（d）不同深度和噴射模式下S-SLO的最大臨界通量。（e）不同工作中液體輸送通量和初始速度的比較。


  不對(duì)稱結(jié)構(gòu)是單向流體輸運(yùn)的關(guān)鍵因素，通過(guò)將平行通道加工為不對(duì)稱通道，液體的輸運(yùn)方式也從雙向轉(zhuǎn)變成為定向。而運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生改變的原因是不對(duì)稱結(jié)構(gòu)造成了液體在溝道內(nèi)鋪展時(shí)所形成的彎曲液面的曲率半徑不同，形成的不對(duì)稱毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)液體定向不對(duì)稱通道的輸運(yùn)到窄端。此外，這種仿生超親水折疊通道不僅實(shí)現(xiàn)了液體的定向輸運(yùn)，還能極大地增加了輸送能力，最大通量達(dá)到1700 ml/h。 


圖4：蒸汽在S-SLO表面的冷凝性能。（a）捕獲的冷凝水會(huì)在平行通道上隨機(jī)滴落，在S-SLO的窄端定點(diǎn)滴落（b）。在引入液體收集器后，捕獲的液滴仍然會(huì)在平行通道上隨機(jī)滴落（c），但是能夠在S-SLO中被全部收集（d）。（e，f）溝道中存水對(duì)冷凝效率的影響。


  此外，不依賴重力的液體操縱能力以及材料獨(dú)特的“液體黑洞”特性為S-SLO拓展了蒸汽收集的應(yīng)用前景。具有雙不對(duì)稱通道的仿生扇形超親水折疊通道能將冷凝在表面收集的所有冷凝水定向輸運(yùn)到扇形的窄端并收集。在簡(jiǎn)化了收集難度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了通道內(nèi)液體的高效排出，有效降低了溝道中蓄積水在冷凝過(guò)程中所產(chǎn)生的熱阻的影響。 


圖5：采用輻射制冷層增強(qiáng)冷凝效果。（a，b）基于S-SLO蒸汽收集器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括超親水涂層，鋁箔基底以及ZrC/PDMS涂層。（c）S-SLO的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。（d）含有輻射制冷涂層和未處理的超親水折疊通道在蒸汽收集過(guò)程中的對(duì)比。（e）蒸汽收集效率對(duì)比。（f）有無(wú)ZrC涂層在蒸汽收集過(guò)程中的溫度比較。（g）COMSOL Multiphysics模擬。


  為進(jìn)一步驗(yàn)證S-SLO的可整合性，研究人員在蒸汽冷凝的基礎(chǔ)上在材料上表面修飾了超疏水ZrC/PDMS涂層，通過(guò)熱輻射的方式進(jìn)一步增強(qiáng)表面散熱能力，提升冷凝效率。通過(guò)對(duì)比冷凝水的收集效率表明了這種多層次S-SLO結(jié)構(gòu)在收集蒸汽上具有潛在應(yīng)用價(jià)值。本項(xiàng)工作旨在設(shè)計(jì)具有連續(xù)自發(fā)、高適應(yīng)性、可靠輸運(yùn)能力的流體操控界面，希望為蒸汽收集、流體輸運(yùn)、節(jié)能減排等領(lǐng)域的發(fā)展提供新思路。


  本工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、南開大學(xué)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)、物質(zhì)綠色創(chuàng)造與制造海河實(shí)驗(yàn)室的資助。文章第一作者為博士生研究生白浩宇，曹墨源特聘研究員為通訊作者。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202211596

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