| 构筑仿生超润湿表面图案操控液滴的定向运输 | |
| Alternative Title | 无 |
梁晓静
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| Thesis Advisor | 刘维民 ; 咸春雷 ; 郭志光 |
| 2021-05-26 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工程硕士 |
| Degree Discipline | 材料工程 |
| Keyword | 仿生 超润湿 图案化 液滴操纵 定向运输 Bionic Superwetting Patterning Droplet manipulation Directional transport |
| Abstract | 在生命的长期进化过程中，自然界的动植物已经合成了多种具有不同超浸润特性的生物材料，以适应环境并维持自身的生存和发展。受这些生物启发制备的超浸润界面材料，在工农业生产和人们日常生活中具有非常广泛的应用前景。近年来，诸如液滴泵送、定向输送之类的液滴操纵已受到广泛关注，可用于集水，微反应器，医药和其他领域。为了获得理想的操纵效果，已经设计并开发了磁场引导，电荷控制和化学响应等智能响应性方法。然而，这些方法大多数依赖于外部能量并且对液滴的尺寸有要求，这极大地限制了其应用范围。这时，利用功能性微结构的构图来创建表面能量梯度和拉普拉斯力作为一种选择可以减少能量输入，同时扩大了应用范围。因此基于自然界中某些生物的表面形态对材料表面进行图案化是制备仿生材料的重要策略。此外，用于操控液滴的超浸润界面材料的制备环节还存在条件苛刻，过程繁琐，成本高昂，运输距离短等问题。本论文在深入调研文献资料的基础上，针对当前用于液滴操纵的超浸润界面材料在设计、制备和应用方面存在的问题，从仿生的理念出发，构筑仿生超润湿表面图案操控微液滴的定向运输，开展了仿生超浸润表面设计、制备、功能化、表征与应用的系统研究工作，并探讨了图案化超润湿表面液滴的运输速度，运输趋势等性能，主要研究内容可以归纳为以下三个方面： （1）以一维铜丝材料为基材，采用简单易行的刻蚀法和浸润法获得微纳粗糙结构，制备具有良好超亲水性能和超疏水性能的一维材料。我们将两种具有不同润湿性的一维材料轨道组合起来，开发了一种具有集成网孔的微机械装置。该装置可以通过合理旋转一层超亲水轨道和一层超疏水轨道来机械地调节综合润湿性并进一步地控制液滴的固定和滑动。该方法提供了一种具有可旋转附件的微机械操纵装置，该装置可用于原位同时释放和转移单个或多个微小液滴。快速响应、低生产成本和方便的操作方法为大规模生产和使用液滴操纵装置提供了可能性，并有可能在液滴运输、药物输送和微流控领域中得到广泛应用。 （2）提出了一种将水分为二维图案的新方法，以制造一种无基底的水膜。通过简单的刻蚀方法制备超亲水一维材料。所制备的具有强毛细管力的超亲水一维材料被用来形成可以支撑和分散水的框架。研究发现不同尺寸的水膜具有稳定的承载能力。当达到上限时，仅仅会排出过量的水而水膜不会破裂。此外，较小直径的穿刺损伤也可以快速自愈。因此，稳定性使水膜具有潜在的实际应用：各种液体可以沿着它们自己的水膜轨道以极低的滑动角滑动；通过这种基于水膜的简便方法，可以得到一些小的且具有一定形状的固体膜。总而言之，这种水膜的制备为微滴的定向运输和小尺寸固体膜的制备提供了一种新颖而便捷的方法。 （3）受三种不同叶脉结构和功能的启发，通过简单的热压法完全复刻了叶脉纹理。然后用纳米颗粒对基底进行选择性处理，以获得准三维杂化的超疏水-亲水表面。当液滴接触人造树叶的表面时，由于拉普拉斯压力梯度和能量梯度，即使在水平条件下，液滴也会从不同方向被吸引到主静脉的底部。仿真分析表明，定向输送的原因是水平放置时，液滴在不同等级的叶脉（包括细脉，侧脉和主脉）上具有的能量梯度。同时，水收集实验结果还显示出良好的定向输送效果和优异的水收集效率。此外，当样品上下颠倒倾斜时，液滴将沿着侧脉流回主脉，然后再向下流向主脉底部，显示出良好的液滴泵送效果。因此，成功地实现了液滴在同一样品上的定向和多向传输，并且仅通过正置和倒置样本就可以实现执行单个和多个任务之间的转换。这项工作为定向和多向水处理，集水，定向排水和微流体设备等方面提供了新的策略。 |
| Other Abstract | 无 |
| MOST Discipline Catalogue | 工学 |
| Pages | 80 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/29115 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 梁晓静. 构筑仿生超润湿表面图案操控液滴的定向运输[D]. 北京. 中国科学院大学,2021. |
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