可用于抗菌和防冰应用的混合液滴定向弹跳的结构化表面

近日，西南科大制造学院微纳仿生制造团队提出了一种非对称诱导倾斜阶梯蘑菇状微柱结构的方法用于混合液滴的定向弹跳，并以“Directional rebound of compound droplets on asymmetric self- grown tilted mushroom-like micropillars for anti-bacterial and anti-icing applications”为题，发表在国际著名期刊Chemical Engineering Journal上。制造学院青年教师杨益为论文的第一作者，制造学院李国强教授、中国科大胡衍雷教授为共同通讯作者。

液滴撞击固体表面是自然界和工业应用中非常普遍的现象，其适当利用可以解决各种生物、环境和健康问题。目前在诸多研究领域已经取得了重大的进展，利用仿生几何结构和润湿性机制以实现液滴在固体表面上的定向弹跳现象已受到研究人员的广泛关注。目前的研究主要集中在由水组成的液滴上，但自然界中的这些液滴大多以混合液滴的形式存在，其表面张力往往比水低。混合液滴在自清洁抗菌、农药喷洒、防结冰和热传导等方面都具有重要的应用。然而，由于超疏水表面提供的突破压力有限，实现混合液滴的定向弹跳仍然是一个挑战。因此，设计和制造一种能够实现混合液滴定向弹跳的结构化表面，理解混合液滴的扩散、飞溅和定向弹跳行为是至关重要的。

针对以上问题，该研究设计了一种新颖的倾斜蘑菇头结构，可以定向引导混合液滴反弹到固定区域。该表面由倾斜的阶梯蘑菇状微柱组成，这些微柱是由飞秒激光诱导的不对称自生长在不收缩聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）胶带/可收缩聚苯乙烯（PS）双层薄膜上制成的。通过激光扫描可以精确地调整蘑菇头状微柱的倾角和形貌。这种特殊的设计主要基于两个主要原因：首先，受到弹尾鱼表面的启发，它可以在含油污水中自由呼吸数天，这种蘑菇状结构的引入增加了液体渗透的能量屏障。第二，倾斜阶梯式结构可以诱导液滴发生斜向准煎饼式弹跳，不仅可以减少液滴的弹跳时间，而且可以使液滴定向弹跳到固定区域。一系列的抗菌和防结冰实验表明，混合液滴的可控反弹行为使其有望成为医疗和环境应用的合适方案。



图1 飞秒激光在PET胶带/PS双层表面非对称诱导自生长制备倾斜阶梯蘑菇状微柱



图2 倾斜阶梯蘑菇头状微柱在抗菌及防冰方面的应用

综上所述，该研究为混合液滴的定向弹跳研究以及应用领域方面提供了一种全新的思路，在环境、健康、能源等应用领域具有重要的学术价值。审稿人认为这项工作提供了一种新颖的方法，通过对弹尾虫结构的仿生研究，制作出的可引导混合液滴定向弹跳的倾斜阶梯蘑菇状微柱结构对于一些重要领域的应用具有一定的指导意义。

本课题将前沿的仿生设计理念与尖端的微纳精密制造技术相结合，致力于防冰抗菌领域等难题的解决，选题体现了基础研究面向环境能源等领域需求、坚持“问题导向”的原则，体现了材料学、力学、纳米技术等多学科交叉、融合等特点和特色。

审核编辑：刘清