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[转载]极端制造 | 仿生特殊润湿性宏观阵列结构材料的最新研究进展—从表面工程到功能应用

已有 463 次阅读 2024-3-21 09:42 |系统分类:论文交流|文章来源:转载

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作 者 

廉中旭、周建辉、任万飞、陈发泽、许金凯、田延岭、于化东

机 构 

吉林大学

长春理工大学

天津大学

University of Warwick

Citation

Lian Z X, Zhou J H, Ren W F, Chen F Z, Xu J K, Tian Y L, Yu H D. 2024. Recent progress in bio-inspired macrostructure array materials with special wettability—from surface engineering to functional applications. Int. J. Extrem. Manuf6 012008. 

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad0471

撰稿 | 文章作者

1文章导读

仿生特殊润湿性宏观阵列结构材料(Macrostructure array materials with special wettability,以下简称:MAAMs-SW)是指具有特殊润湿性和尺寸在几百微米到几毫米(亚毫米级、毫米级)周期性结构特征的功能性表面。这类表面因具有液滴操纵、抗结冰、水收集、减阻、传热及油水分离等功能,在航空、航海、能源、环境和生物医学领域获得实际应用,展示出其具有广泛的应用前景和重要的经济价值。与特殊润湿性微纳结构表面相比,仿生MAAMs-SW的制备工艺更为成熟简单,具有良好的成本优势,适合工业化生产。然而,目前少有文献对仿生MAAMs-SW研究进行系统整理。为了指导研究人员探索新理论、新技术和新应用,快速推动仿生MAAMs-SW方向的发展,近期,吉林大学机械与航空航天工程学院于化东教授、长春理工大学跨尺度微纳制造教育部重点实验室廉中旭博士、许金凯教授、任万飞博士、周建辉硕士生、天津大学陈发泽博士和英国华威大学田延岭准教授在SCI期刊《极端制造》International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上共同发表《仿生特殊润湿性宏观阵列结构材料的最新研究进展—从表面工程到功能应用》的综述,系统总结了仿生MAAMs-SW的最新研究:首先回顾了MAAMs-SW的基本理论与设计理念;然后通过对增材制造、减材制造及等材制造三种加工方式进行分类,重点关注了MAAMs-SW的制备策略,并全面介绍了仿生MAAMs-SW的应用现状(图1),阐述了仿生MAAMs-SW的宏观结构-润湿性-功能之间的关系;最后,提出了实现理想高性能MAAMs-SW所面临的关键挑战,并对其未来发展进行了展望。

关键词

宏观阵列结构;超疏水;3D打印;激光;液滴操纵

 亮 点 

  • 阐述了MAAMs-SW的基本理论与设计理念;

  • 从增材制造、减材制造及等材制造三个方面归纳总结了MAAMs-SW的制备策略;

  • 介绍了MAAMs-SW的多样化应用方向;

  • 展望了MAAMs-SW未来发展的机遇与挑战。

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 图1 仿生MAAMs-SW的制备策略与应用领域。水稻叶:经许可使用。版权所有(2016)The Royal Society of Chemistry。液滴操纵、槐叶萍、油水分离、灵巧润湿性:经许可使用。版权所有(2022、2010、2022、2019)Wiley。沙漠甲虫、仙人掌、蜘蛛丝、猪笼草、机械稳定性:经许可使用。版权所有(2001、2012、2010、2016、2020)Nature Publishing Group。跳虫、水收集:经许可使用。CC BY 4.0。南洋杉叶:经许可使用。版权所有(2021)AAAS。拒油、传热:经许可使用。版权所有(2021)Elsevier。水下保气:经许可使用。版权所有(2022)American Chemical Society。

2研究背景

固体表面结构普遍被认为是存在一个宏观、微观和纳观的明确界限,即宏观结构、微米级结构和纳米级结构。近年来,宏观阵列结构功能表面由于在润湿性、减粘脱附性、光学特性、耐磨性、散热性、冷凝特性等方面具有特定功能而受到广泛关注,这些功能主要归功于表面上存在的规则高深宽比纹理结构、确定几何特征的拓扑形状(如凹槽阵列、透镜阵列、金字塔阵列等)。

大自然是人类最好的导师。受荷叶、蝉翼、蚊子复眼等生物表面启发,基于仿生学的具有微/纳米阵列结构(尺寸:1nm~100µm)的特殊润湿性表面研究成为当今热点之一。这些表面因其具有特殊润湿性和结构特征,在自清洁、抗结冰、防腐蚀、传热、油水分离等多个领域表现出优异的性能。然而,许多生物表面的宏观阵列结构尺寸远大于上述尺寸,一般范围从100µm到几毫米(亚毫米和毫米级),比如像水稻叶、沙漠甲虫鞘翅、仙人掌和南洋杉叶等。受这些自然界中发现的宏观结构和微/纳米结构的启发,研究人员开发了大量MAAMs-SW。例如,受水稻叶启发的宏观凹槽阵列显示出明显的各向异性特征,为液滴操纵提供了独特的思路。受沙漠甲虫启发的毫米级突起结构可以促进冷凝,从而提高集水性能。具有宏观锥柱阵列的超疏水表面可以大大缩短液滴与表面之间的接触时间,使过冷水在结冰之前脱离表面,可以从根本上解决过冷水结冰附着问题。在油水分离过程中,传统的特殊润湿性微孔或纳米孔网膜在分离高粘度油水混合物时容易发生堵塞,导致油水分离过程无法持续进行,而受仙人掌启发的宏观锥阵列可以避免这一问题。就机械稳定性而言,由充当“盔甲”的宏观阵列结构可以为脆弱的超疏水纳米结构/涂层提供物理保护。本文对基于仿生学的MAAMs-SW的最新研究进展进行了详细介绍。

3 最新进展

近年来的研究主要集中在润湿性相关理论、自然界生物的代表性结构特征、仿生MAAMs-SW制备策略以及仿生MAAMs-SW应用等四个方面。

润湿性相关理论 表面结构与润湿性的内在联系一直是科学家们广泛关注的一个热点问题。本文介绍了经典润湿模型,包括Young模型、Wenzel模型、Cassie模型以及凹角模型,提出了适用于宏观阵列结构的静态接触角预测模型,从表面能梯度和Laplace压力梯度等角度分析了宏观阵列结构表面特殊润湿行为的基本原理,如图2所示。

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 图2 润湿性相关理论与模型。(a)Young模型。(b)Wenzel模型。(c)Cassie模型。(d)液体注入超滑表面。(e)凹角模型。(f)凹角模型理论。(g)超疏水宏观阵列结构。(h)数学模型。(i)表面能梯度。(j)Laplace压力梯度。(i和j)经许可使用。版权所有(2014)American Chemical Society。

自然界生物的代表性结构特征 为了适应不同的环境,自然界中的生物已进化出了各式各样的结构,这些结构为研究人员设计和制备MAAMs-SW提供了丰富的灵感源泉。本文总结了自然界中生物表面上不同尺度的代表性结构,如水稻叶、槐叶萍、沙漠甲虫鞘翅、仙人掌和南洋杉叶等宏观结构代表和跳虫、蜘蛛丝、猪笼草、蝴蝶翅膀和鲨鱼皮等微观/纳观结构代表,如图3所示。

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 图3 具有特殊润湿性的典型生物。(a)水稻叶:经许可转载。版权所有(2012)The Royal Society of Chemistry和(2012)Wiley。(b)槐叶萍:经许可转载。版权所有(2010)Wiley。(c)沙漠甲虫鞘翅:经许可转载。版权所有(2001)Nature Publishing Group。(d)仙人掌:经许可转载。版权所有(2012)Nature Publishing Group。(e)南洋杉叶:经许可转载。版权所有(2021)AAAS。(f)跳虫:经许可转载。(g)蜘蛛丝:经许可转载。版权所有(2010)Nature Publishing Group。(h)猪笼草:经许可转载。版权所有(2016)Nature Publishing Group。(i)蝴蝶翅膀:经许可转载。版权所有(2009)Springer。(j)鲨鱼皮:经许可转载。版权所有(2012)The Royal Society of Chemistry。

仿生MAAMs-SW制备策略 制造技术从制造原理上可以分为增材制造、减材制造和等材制造等三类,这三种方法经常被用于制备仿生MAAMs-SW。本文以3D打印,激光刻蚀、电火花加工、机械加工、电解刻蚀,模板法和压印法为例,从增材制造、减材制造及等材制造三个方面归纳总结了MAAMs-SW的制备策略,并详细对比了每种技术的优缺点和适用性。图4为3D打印MAAMs-SW的典型案例。

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图4 3D打印MAAMs-SW。(a)光固化成型打印的鲨鱼皮结构。(b)鲨鱼皮结构的多尺度打印模型。(c)光固化成型打印的仿荷叶超疏水表面。(a)-(c)经许可转载。版权所有(2019)Wiley。(d)投影微立体光刻示意图。(e)投影微立体光刻打印的宏观凹入棘轮阵列的SEM图像。(f)和(g)两种不同类型的宏观棘轮结构的SEM图像。(h)和(i)水-乙醇混合液在两种不同类型的宏观棘轮结构上的扩散行为。(d)-(i)经许可转载。(j)ISA-3D打印系统原理图。(k)ISA-3D打印系统制造的宏观打蛋器阵列的SEM图像。(j)和(k)经许可转载。版权所有(2018)Wiley。

仿生MAAMs-SW应用方向  仿生MAAMs-SW的功能应用方面的研究不仅是当今的研究热点,也是备受工业界关注的焦点。本文介绍了仿生MAAMs-SW的一些典型应用,包括液体/液滴操纵、水收集、油水分离、减阻、防冰、传热、拒油性、水下保气、智能润湿性和机械稳定性,并且对每种应用的润湿类型、结构特征、优缺点进行了归纳总结与分析比较。图5为仿生MAAMs-SW在水收集方面的典型应用案例。

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图5 仿生MAAMs-SW的水收集性能。(a)和(b)具有宏观柱阵列结构的超疏水-亲水表面的水收集机制和收集过程。(a)和(b)经许可转载。版权所有(2023)Elsevier。(c)和(d)水滴在超亲水宏观阵列结构折纸上的反重力、定向和自发输送示意图,以及实际的输送过程。(c)和(d)经许可转载。版权所有(2023)Wiley。(e)具有不对称性的宏观突起阵列结构的仿生超滑表面的设计原理。(f)和(g)水收集图像和数据。(e)-(g)经许可转载。版权所有(2016)Nature Publishing Group。(h)仿蜘蛛丝纤维的SEM图像。(i)和(j)仿蜘蛛丝纤维收集水滴的光学图像。(k)仿蜘蛛网的水收集表现。(h)-(k)经许可转载。(l)具有宏观阵列结构的水凝胶膜的全天水收集示意图。(m)白天和(n)夜间水收集模式,以及相应的水收集量。(l)-(n)经许可转载。

4 未来展望

仿生MAAMs-SW在许多工程领域具有广阔的应用前景,可以应对全球日益增长的环境和能源危机。尽管在探索MAAMs-SW的制造和应用方面取得了很大进展,但仍有一些困难和挑战需要克服。(1)目前研究人员仍然使用70多年甚至200多年前提出的润湿模型,有必要在极端尺度(分子甚至原子)上发展新的理论。(2)为了深入揭示自然现象,需开发先进的表征和测试技术。此外,大自然仍蕴藏着许多未知的奥秘急需探索;(3)由于一些方法仅局限于实验室的基础研究,难以工业化生产。因此,开发高效、低成本、可实现仿生MAAMs-SW大面积大规模制造的绿色技术,对促进其实际应用进程至关重要;(4)较差的物理和化学耐久性严重限制了仿生MAAMs-SW的实际应用。需要从表面化学和结构设计以及加工方法的优化来突破这一难题;(5)开发集多种功能于一身的仿生MAAMs-SW是未来的必然趋势。

总而言之,由于仿生MAAMs-SW具有极为重要的特殊功能,其研究热度会越来越高,随着科技的不断进步、多学科的融合发展以及科学家们的不断探索,上述面临的挑战和困难将不断被突破,势必会涌现出更多新颖的、可实际应用的仿生MAAMs-SW。

5 作者简介

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廉中旭

长春理工大学

廉中旭,长春理工大学机电工程学院硕士生导师,跨尺度微纳制造教育部重点实验室青年学术骨干,目前在英国华威大学开展为期2年的博士后合作交流研究。近年来,主要从事跨尺度微纳特种加工方法、微结构功能表面制备与应用研究。获“博士后国际交流计划派出项目”资助,主持国防基础科研重点项目课题、装备预研领域基金快速支持项目、中国博士后科学基金面上项目、吉林省自然科学基金等科研项目6项。以第一/通讯作者在《International Journal of Extreme Manufacturing》《Droplet》《Chemical Engineering Journal》《ACS Applied Materials & Interfaces》《Applied Surface Science》《International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology》等国际知名期刊发表论文31篇,申请与授权国家发明专利10余项。获吉林省科学技术发明奖一等奖2项(11/15、9/10)、吉林省优秀博士学位论文。入选吉林省青年科技人才托举工程,获吉林省“优秀青年”荣誉称号。

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于化东

吉林大学

于化东,吉林大学机械与航空航天工程学院教授、博士生导师。全国优秀科技工作者,享受国务院政府特殊津贴。先后在长春光学精密机械学院获学士、硕士学位,日本千叶大学获博士学位。国家“973”技术首席,科技部“增材制造与激光制造”重点专项总体专家、中国机械工程学会极端制造分会副主任委员、中国机械工业企业管理协会首席科技管理专家、国际3M-NANO学会创始主席。获教育部国家级教学成果一等奖1项、二等奖2项;获吉林省科技进步一等奖和技术发明一等奖各1项,国防科学技术进步二等奖2项。

长期从事精密与超精密加工技术以及光机电一体化技术等领域的教学与科研工作。近年来,发表学术论文180余篇,其中SCI论文110篇,出版学术著作2部;申请和授权国家发明专利80余件。主持完成国防973、0902专项、国家重点研发计划、国家自然基金面上项目等20余项国家省部级重点项目。

本文来自SciOpen TUP科学网博客。



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