近日，西南科技大学微纳仿生系统与智能化研究团队李国强教授和物质绿色创造与制造海河实验室曹墨源研究员合作，受鱼刺微油滴操控功能、水稻叶表面各向异性液滴滑动现象启发，利用PμSL高精密3D打印技术制备了一种多仿生槽锥刺结构（BGCS）实现水下油滴的逆重力高效运输与收集。
研究成果以“Directional and adaptive oil self-transport on a multi-bioinspired grooved conical spine”为题，发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（SCI一区Top，Nature Index期刊，IF：18.808）上，物质绿色创造与制造海河实验室为论文通讯单位。
以下内容转载自“西南科技大学”公众号
复杂环境下的低表面能液滴的能源、环境和健康等领域具有重要的应用价值，是当前研究的热点。操控的效率和精度问题是制约我国精细化工、生物医学、药物提纯、污染治理等行业可持续发展的瓶颈。具有液体靶向运输控制功能仿生结构表面设计的提出，为微滴操控提供了一种能耗更低、制备工艺更简单的解决策略。目前实现基底表面液滴智能运输主要依赖于材料润湿性梯度和结构的不对称性，且相关研究均集中于水处理。油等低表面能液滴的低接触角滞后和接触线滑移使其相比水的运动路径更难控制，尽管具有亲油表面的传统圆锥形结构可以实现微油滴的自运输，但复杂环境下的实用性、大容量自发连续低表面张力微液滴输送系统是亟待解决的行业难题与挑战。如何突破现有微滴操控非对称性结构的功能局限，实现微油滴气-液界面跨相输运和提取的操控，更是鲜有研究。
针对这一难题，受低表面张力微滴导向功能的鱼刺和具有各向异性凹槽结构定向驱动液滴滑动的水稻叶的启发，利用精密3D打印技术制备了一种多仿生槽锥刺结枌/span>BGCS)实现复杂环境下油滴的逆重力高效运输与收集。在非对称拉普拉斯压力和表面毛细力的协同作用下，所设计的2-BGCS结构具备在水下、空气甚至跨气-液两相界面超快、连续传输油滴的功能，运输速度最高可达70.2 mm/s。与传统圆锥形结构相比，倾斜角20°时，2-BGCS结构的输送速度提高9倍。在逆重力传输油滴时，2-BGCS结构能够提升超过22 μL的重油滴，通量提升5倍，极大地改善了圆锥结构的功能与性能，且具有输运大体积油滴的潜力。
图1 仿生槽锥刺结构的设计与性能对比。受鱼刺和水稻叶启发，利用精密3D打印制备了不同槽个数的仿生锥形结构。梯度槽和锥形结构的结合，使仿生结构具备水下超快逆重力定向传输功能，对比不同槽数的仿生结构以及传统锥形结构，2-BGCS结构的运输效果最佳。
图2 不同结构连续输送油滴及理论机制的比较。对仿生槽锥形结构、传统锥形结构以及对称圆柱结构在水下进行连续逆重力输送实验对比，微油滴在不同结构上连续运输的高度对比说明仿生槽锥形结构上的微油滴能够不断连续输送，且不影响下一次循环。基于不同结构对比实验，对油滴沿结构运输的模型进行机理分析。
图3 仿生槽锥刺结构在不同环境下油滴运输的应用。基于仿生槽锥形结构水下逆重力油滴运输的优异性能，进一步探讨了在多环境下的油滴运输功能，不仅能够实现微油滴在空气中的超快输送，还可以实现气-液界面跨相油滴传输，集成收集装置能够实现水下油滴的大通量收集。
该研究为复杂环境下的油滴从输送到收集提供了新理论和新方法，对我国精细化工、生物医学、药物提纯、污染治理等行业可持续发展具有重要的战略意义。本项目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，致力于低表面张力液滴精准高效操控难题的解决，体现了基础研究应面向国家重大战略需求、坚持“问题导向”的原则，体现了多学科交叉融合的特点。
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