【学术看板】西南科大微纳仿生系统与智能化团队在高性能微滴操控领域取得系列进展
微滴操控是一种运用微纳结构的取向性或形变等产生速度梯度或能量梯度从而实现对微滴运动状态和方式控制的技术。该项技术的快速发展为基于微滴收集和输运的水雾收集、微流控芯片、化学微反应和生物医学等提供了广阔的应用空间。高性能的微滴操控需要具备高通量自动化、长距离无损失、高速度多模式等优点。因此，实现具有精确形貌微纳结构的制造和高灵敏、低能耗、高通量和自动化控制方式的设计，对高性能微滴操控器件和系统的发展具有重要意义。
近期，制造过程测试技术教育部重点实验室李国强教授领衔的微纳仿生系统与智能化团队将“源于自然，高于自然”的前沿仿生设计理念与先进微纳精密制造技术相结合，围绕能源、环境和健康领域对微滴操控的重要需求，攻坚克难，致力于解决上述关键科学问题和技术难题，在仿生微纳结构的精密制造及其高性能微滴操控研究方面取得了一系列进展。
水平振动模式高性能微滴定向驱动。针对微滴定向操控存在的输运速度低(≤ 11.5 mm/s)、体积变化范围小（V max /V min < 3）和运动模式单一等问题，该团队提出了一种基于飞秒激光微纳精密制造新策略的高性能定向微滴操控方法[如图1A]。该方法能够实现多模态（滚动、反弹/反向反弹、收敛/扩散、爬升、90°转弯、连续运输）、高速（≈ 22.86 mm/s）和大体积变化范围（V max /V min ≈ 100）的微滴定向操控。理论分析表明，其动力源自于微滴与倾斜微墙阵列的接触面积差异导致的各向异性的粘滞阻力差。此外，研究人员还设计了环形、弧形和“L”型路径的倾斜微墙阵列用于特定路径的微滴运动，并实现了大体积范围微滴的序列输运以及其微反应。该项成果被选为VIP Paper以题为“High-performance unidirectional manipulation of microdroplets by horizontal vibration on femtosecond laser-induced slant microwall arrays”发表在国际顶级学术期刊Adv. Mater. （JCR一区，IF：27.398，2020，2005039）上。
图1 A:水平振动微滴定向操控; B:3D打印仿芒式集雾系统
3D打印麦芒结构高效率微滴定向收集。雾水收集对于解决水资源短缺世界难题具有重要的意义，如何提升雾水收集效率一直是研究热点和难点。受麦芒独特的层级结构和卓越的集雾能力的启发，该团队通过精密3D打印技术开发了具有优异雾滴捕获和快速输运能力的仿芒式集雾系统[如图1B]。通过创造性设计的微型刺状取向收集器增强了雾滴捕捉效率，并借助复合结构特性突破传统结构下滴状传输的限制，实现了高速的膜状输运，从而极大地提高了输运速率和收集效率。该仿生集雾系统的收集效率为5.90 g/cm 2 ·h，明显高于单层级仿生系统和其他集雾系统。审稿人对该项工作给予高度评价，认为该研究提出了一种新的微滴输运方式，并表现出极其优异的集雾功能，为高效水雾收集器件的设计提供了新的思路。该项成果以题为“Programmable 3D printed wheat awn-like system for high-performance fogdrop collection”发表在国际著名学术期刊Chem. Eng. J. （JCR一区，IF：10.652，2020，399，125139）上。此外，该项成果被高分子科技前沿、两江科技评论、国际仿生工程学会等多家新闻媒体报道，并被选为优秀科技成果在第七届中国（绵阳）国际科技博览会上展出，有望应用于液滴传输、药物运输、海水淡化等科学技术领域。
跨物种仿生高深径比磁响应微柱阵列微滴定向无损输运。液滴无损智能操控在微流体、化学微反应和智能液滴控制系统等领域具有重要意义。致力于解决在液滴无损输运、超疏水低粘附表面非重力驱动和斜面上液滴易滑落等问题，该团队提出采用跨物种设计策略，即受水稻叶表面各向异性润湿性结构启发，结合运动纤毛的定向摆动输运特性，制备了一种高深径比的磁响应微柱阵列 (HAR-MRMA) 用于微滴的主动输运[如图2A]。该微柱阵列在运动磁场下实时重构形成了单向波，可实现微滴的主动定向和无损输运，如往复运动、平行运动、微滴合并和圆弧轨道定向的多功能输运。该HAR-MRMA具有良好的可逆性和重复性，可以实现不同温度和pH值条件下的微滴稳定输运，同时，通过水稻叶片表面的各向异性特性可以实现斜面上的微滴稳定输运，展现了HAR-MRMA主动定向非重力无损智能输运微滴的能力。审稿人评论道，该项工作通过巧妙的跨物种结构设计，制备了高深径比磁响应微柱阵列，为微滴的非重力主动无损智能操控提供了新的方法。研究成果以题为“Cross-species bioinspired anisotropic surfaces for active aroplet transportation driven by unidirectional microcolumn waves”发表在ACS Appl . Mater . Interfaces.（JCR一区，IF：8.758, 2020, 12, 42264-42273）上。
图2 A:跨物种仿生高深径比磁响应微柱阵列; B:风力驱动自旋式水雾收集器
风力驱动自旋式高效率水雾收集器。水雾收集被认为是解决水资源短缺的有效方法，如何提升水雾收集效率是亟待解决的关键科学问题。高效的水雾收集装置需要同时满足对于随机方向雾风的全方位收集和低蒸发储存两个严苛的条件。然而，目前制备的水雾收集器结构单一，只能朝单个方向收集水雾并且无法克服开口式装置的高蒸发率，从而无法实现高效收集。针对这些问题，该团队受天然荷叶的不对称润湿性启发，开发了一种受风力驱动的自旋式水雾收集器[如图2B]。该水雾收集器能将雾风中的风能转化为动能，驱动整个装置做自旋运动以此提高自身水雾收集效率（风速为1m/s，收集效率提高49%）。相比于敞口式的集雾器，自旋式水雾收集器能够有效降低存储过程中淡水的二次蒸发对收集效率带来的损失。审稿人认为，该项工作创造性地开发了一种风驱动水雾收集系统，并为提高现有水雾收集器的收集效率提供新颖的优化策略。该项研究以题为“Self-pumping and scalable fog collector with diode-like micro-hole arrays inspired by natural asymmetric wettability”发表在Appl. Mater. Today （JCR一区，IF：8.352，2020，21，100851）上。
微纳仿生系统与智能化团队自2017年12月成立以来一直致力于超快激光微纳精密制造和超精密3D/4D打印制造的基础研究与应用研究，以开发微纳功能结构、芯片、器件及集成系统为目标，服务于能源、环境、健康等重点领域。团队主要研究领域有智能微机械及控制系统、智能微纳传感器及光电器件、仿生智能响应微纳器件、仿生微纳马达精密制备及应用、新型多功能环境修复器件应用等。团队承担相关领域的国家级、省部级等课题10余项，在Sci. Adv, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Lab Chip等国际著名学术期刊上发表高水平论文近30余篇，申请国家发明专利10余项。
（刘芳池 编辑）（制造学院 供稿）
相关链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c10034
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202005039
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720311311?via%3Dihub#f0005
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352940720302997?via%3Dihub
