汽车工程进展
开放获取

抽象的

爱水还是讨厌水？

王立秋

本次演讲是关于香港大学最近开发的三项技术，这些技术利用仿生微结构来精确操纵液体：水收集、液体排斥和液滴捕获/释放。蜘蛛丝及其网独特的结构和拓扑特征使它们成为超级集水器，清晨大量的水滴落在它们身上。利用微流体技术，我们精确地制造了具有纺锤腔结和不同拓扑纤维网络的坚固微纤维，以模仿这些特征。这些超细纤维具有独特的表面粗糙度、机械强度和长期耐用性，从而具有超强的集水性能。单个结收集的最大水量几乎是结体积的495倍；通过他们的网络，集水变得更加高效和可扩展。这些重量轻、坚韧、低成本的微纤维为缺水地区的水收集提供了有希望的机会。防液表面可排斥液体，而不是让液滴粘附。这些表面在许多领域都很重要，包括自清洁衣服和厨具、增强传热以及防污、防腐和减阻涂层。拒液剂研发的梦想是一种具有强拒液性、机械稳定性强且商业规模生产成本低廉的结构。然而，现有的拒液表面的功能效果并不令人满意，这是因为传统的结构设计和制造方法在工程微观结构和此类表面的性能方面存在不足。我们开发了一种低成本的可扩展方法，用于制造具有强大液体排斥性和强大机械稳定性的明确多孔表面。拒液表面的设计灵感来自于跳尾角质层的结构，可以有效解决长期以来拒液性和机械稳定性之间的矛盾。跳尾虫是土生节肢动物，其栖息地经常遭受降雨和洪水。因此，弹尾鱼进化出了具有强大机械耐久性和强大液体排斥性的角质层，以抵抗土壤颗粒的摩擦并在水环境中生存。我们设计的多孔表面由具有凹形轮廓的互连蜂窝状微腔组成：互连性确保机械稳定性，凹形结构产生强大的液体排斥性。角质层状多孔表面是通过微流体液滴自组装制造的，充分利用了微流体在可扩展性和小流体体积精确处理方面的能力。使用微流体技术生成这些角质层状多孔表面可以实现精确、可控、可扩展且廉价的制造。一些半水生昆虫由于其跗骨上有致密的毛垫和补充润湿性的可伸缩爪子，可以轻松地在水面上行走并爬上半月板斜坡。受此启发，我们创建了一种机械调节表面，其对液滴的粘附力可以通过机械调节简单地切换。机械调节表面就像一只“魔手”，可以以无损失的方式精确捕获和释放多个微小液滴，并且适用于小至纳升尺度的水滴和油滴。这些表面在医疗诊断和药物发现等各种高精度领域中至关重要，这些领域必须精确转移微小液体。向大自然学习为创建具有独特功能的纳米/微米结构铺平了道路，以便根据需要与液体相互作用。这些结构虽小但功能强大，可以有效、精确地操纵液体。有了这些技术，可以直接从沙漠的空气中收集水，不再需要洗衣服，