Verbeterde vloeistofafstotendheid door flexibele microstructuren

Kunstmatige oppervlakken die vloeistoffen kunnen afstoten, hebben veel aandacht getrokken op wetenschappelijke en industriële platforms om functionele topologische kenmerken te creëren. Maar de rol van de onderliggende structuren die in contact komen met vloeistofdruppels is niet goed begrepen. Recente ontwikkelingen in micro-nanofabricage kunnen onderzoekers in staat stellen een huid-spierachtig systeem te construeren dat vloeistofafstotendheid combineert op het grensvlak, naast een mechanisch functionele structuur. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances, Songtao Hu en een team van interdisciplinaire wetenschappers in China, Zwitserland en het VK, ontwierpen bio-geïnspireerde oppervlakken met paddenstoelachtige afstotende koppen met behulp van driedimensionale (3D) directe laserlithografie. De flexibele, veerachtige ondersteunt een verhoogde vloeistofafstotendheid door complexe vormen van druppelafbraak te weerstaan ​​en de contacttijd van het druppeloppervlak te verminderen. Het gebruik van veerachtige flexibele steunen is een ongekende benadering van materiaalonderzoek die de vloeistofafstotendheid verbeterde voor een uitstekende oppervlaktecontrole en druppelmanipulatie. Het werk breidde het onderzoek uit naar afstotende microstructuren om functionele mogelijkheden te bieden door functionele oppervlakken te koppelen aan mechanische metamaterialen.

Het samenspel tussen vloeistofdruppels en vaste grensvlakken op kunstmatige vloeistofafstotende oppervlakken is belangrijk voor zelfreinigende, anti-ijsafzetting en antireflectietechnologieën en voor principes van wateropvang en druppelmanipulatie. Onderzoekers zijn geïnteresseerd in het nabootsen van morfologische en chemische kenmerken van natuurlijke oppervlakken voldoen aan biomimetische prestaties in het labortorium. Een klassiek voorbeeld is het lotuseffect, dat waterdichtheid vertoont door een combinatie van hiërarchische morfologie en op was gebaseerde chemische modificaties. Om het lotuseffect in het laboratorium te verbeteren, hebben onderzoekers nagebootst op springstaarten geïnspireerde topologie met paddenstoelachtige, flexibele koppen bovenop pilaarachtige steunen om druppelcontact met oppervlakken te manipuleren. In dit werk, Hu et al. verbeterde vloeistofafstotendheid met behulp van het flexibele microstructuurontwerp om de kloof te overbruggen tussen twee onderzoeksconcepten van functionele oppervlakken en mechanische materialen om een ​​”huid-spierachtig” systeem te construeren.

Ontwerp en fabricage

Het bovenoppervlak van het construct gedroeg zich als de huid om te ontvangen en te reageren, terwijl de onderliggende steunen de spierrol speelden om de mechanische eigenschappen af ​​te stemmen. Het werk zal een venster op gang brengen voor meer functionaliteiten en mogelijkheden door functionele oppervlakken te koppelen aan mechanische metamaterialen. Met behulp van twee-fotonenpolymerisatie heeft het team 3D-structuren op micro-nanoschaal aangepast om het paddenstoelveerontwerp te realiseren. Ze hebben de flexibele oppervlakken gemodelleerd SolidWorks en zet de ontwerpen om in een stereolithografie formaat voor fabricage met een fotoresist op een indiumtinoxide (ITO) -gecoate gesmolten silica. Het team heeft vervolgens het oppervlak gecoat chemische dampafzetting om de flexibele veren zich te laten gedragen als stijve pilaren. Hu et al. ondersteunde ook een trampoline-geïnspireerd oppervlak waar verticale veren paddestoelachtige koppen ondersteunden en horizontale veren de aangrenzende paddestoelachtige koppen met elkaar verbonden om de vloeistof-vaste stof interface te manipuleren.

Voorkomen van druppelafbraak en observeren van verspreidingsprestaties

De oppervlakken van de paddenstoelpilaar / paddenstoelveer vertoonden een uitstekend anti-penetrerend vermogen ten opzichte van statische waterdruppels en de materialen behielden structurele hydrofobiciteit (waterafstotendheid) dankzij hun oppervlaktecoating. Het team voerde tests uit om het verspreidings- en terugkaatsgedrag van waterdruppels bij verschillende inslagsnelheden te begrijpen en noemde hun vormen afzetten (DEP), terugkaatsend (REB) en vastzetten (PIN) gedrag, met een toegenomen Wij waarde (een niet-dimensieloze verhouding tussen traagheids- en capillaire krachten). Toen de impactenergie bijvoorbeeld toenam, erfde het REB-gedrag de plaats van DEP om een ​​effectieve kinetische weerstand tegen impactgebeurtenissen te vertonen. Het team berekende vervolgens de maximale spreidingsfactor in functie van Wij. De wetenschappers hebben het verschil in de maximale spreidingsfactor tussen verschillende oppervlaktestructuren toegeschreven aan visco-elastische breuk van zachte materialen. Om het verspreidingsgedrag van druppeltjes op microstructuren verder te begrijpen, hebben Hu et al. een theoretisch verspreidingsmodel opgesteld om het verrichte werk (W) te schatten om uit te spreiden tot een maximale diameter op een flexibel of onbuigzaam oppervlak.

Restitutiecoëfficiënt en contacttijd

De wetenschappers berekenden vervolgens de restitutiecoëfficiënt, dwz de verhouding van relatieve snelheid tussen twee objecten na botsing in de opstelling, om de resterende kinetische energie van de druppels te kwantificeren nadat ze van het oppervlak zijn opgetild. De depositie / rebound (DEP-REB) overgangen op dergelijke oppervlakken lieten de invloed van flexibele modificatie op de restitutiecoëfficiënt. Ze bespraken het effect van flexibele ondersteuningsmodificaties op de contacttijd van de druppel, die afhankelijk was van de impactpositie. Door flexibele microstructuren op een rigide substraat te immobiliseren met efficiënte fabricagestrategieën, overwon het team de tekortkomingen van druppelcontact.

Op deze manier hebben Songtao Hu en collega’s de kloof overbrugd tussen twee onderzoeksgebieden van functionele oppervlakken en mechanische materialen om een ​​huid-spierachtig concept in de oppervlaktetechniek van materialen te implementeren. Ze ontwierpen bio-geïnspireerde paddenstoelachtige waterdichte koppen bovenop veerachtige flexibele steunen om het binnendringen van vloeistoffen kinetisch af te weren – geschikt voor een verscheidenheid aan toepassingen. Het team stelde een geavanceerde trampoline-achtige structuur voor om structurele instabiliteit bij druppelcontact op te lossen. Ze gebruikten 3D-directe laserlithografie voor micro-nanofabricage om de flexibele oppervlakken nauwkeurig te repliceren met instelbare vloeistofafstotendheid. Terwijl de voorgestelde Nanoscribe-techniek voor hoge precisie 3D directe laserlithografie biedt snelle prototyping-technologie, de techniek moet worden geoptimaliseerd voor fabricage op grote schaal in de praktijk. De evoluerende 3D-printtechnologieën zullen bieden meer opties voor fabricage-efficiëntie op centimeter-schaal met hoge doorvoer.