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 bouwen dat vloeistofafstoting aan het grensvlak combineert, naast een mechanisch functionele structuur. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Songtao Hu en een team van interdisciplinaire wetenschappers in China, Zwitserland en het VK, ontworpen bio-geïnspireerde oppervlakken met paddenstoelachtige afstotende koppen met behulp van driedimensionale (3-D) directe laserlithografie. De flexibele, veerachtig ondersteunt een verhoogde vloeistofafstoting door weerstand te bieden aan complexe vormen van druppelafbraak en de contacttijd van het druppeloppervlak te verminderen. Het gebruik van veerachtige flexibele steunen is een ongekende materiaalonderzoeksbenadering die de vloeistofafstoting verbeterde voor uitstekende oppervlaktecontrole en druppelmanipulatie. Het werk breidde het onderzoek naar afstotende microstructuren uit om functionele mogelijkheden op te leveren door functionele oppervlakken te koppelen aan mechanische metamaterialen.

Het samenspel tussen vloeistofdruppels en vaste grensvlakken op kunstmatige vloeistofafstotende oppervlakken is belangrijk voor zelfreiniging, anti-ijsvorming, en antireflectietechnologieën en voor principes van waterwinning en druppelmanipulatie. Onderzoekers zijn geïnteresseerd in het nabootsen van morfologische en chemische kenmerken van natuurlijke oppervlakken om biomimetische prestaties in het laboratorium te vervullen. Een klassiek voorbeeld is het lotuseffect, die waterdichtheidsprestaties vertoont door hiërarchische morfologie en op was gebaseerde chemische modificaties te combineren. Om het lotuseffect in het laboratorium te verbeteren, onderzoekers hebben springstaart-geïnspireerde topologie nagebootst met paddenstoelachtige, flexibele koppen bovenop pilaarachtige steunen om druppelcontact met oppervlakken te manipuleren. In dit werk, Hu et al. verbeterde vloeistofafstoting met behulp van het flexibele microstructuurontwerp om de kloof tussen twee onderzoeksconcepten van functionele oppervlakken en mechanische materialen te overbruggen 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 kans bieden voor meer functionaliteiten en mogelijkheden door functionele oppervlakken te koppelen aan mechanische metamaterialen. Met behulp van twee-fotonpolymerisatie, het team heeft 3D-structuren op micronanoschaal op maat gemaakt om het ontwerp van de paddestoelveer te realiseren. Ze hebben eerst de flexibele oppervlakken in SolidWorks gemodelleerd en de ontwerpen omgezet in een stereolithografieformaat voor fabricage met een fotoresist op een met indiumtinoxide (ITO) gecoate gesmolten silica. Het team bedekte het oppervlak vervolgens met chemische dampafzetting om de flexibele veren zich als stijve pilaren te laten gedragen. Hu et al. ondersteunde ook een op trampoline geïnspireerd oppervlak waar verticale veren paddenstoelachtige koppen ondersteunden en horizontale veren de aangrenzende paddenstoelachtige koppen verbonden om de vloeistof-vaste stof interface te manipuleren.

De oppervlakken van de paddenstoelpilaar/paddenstoelveer vertoonden een uitstekend anti-penetrerend vermogen tegen statische waterdruppels en de materialen behielden hun structurele hydrofobiciteit (waterafstotendheid) dankzij hun oppervlaktecoating. Het team voerde tests uit om het verspreidings- en terugkaatsingsgedrag van waterdruppels onder verschillende impactsnelheden te begrijpen en noemde hun vormen als afzetting (DEP), terugkaatsend (REB) en pinning (PIN) gedrag, met een verhoogde We waarde (een niet-dimensieloze verhouding tussen traagheids- en capillaire krachten). Bijvoorbeeld, toen de impactenergie toenam, het REB-gedrag erfde de plaats van DEP om een ​​effectieve kinetische weerstand te vertonen tegen impactgebeurtenissen. Het team berekende vervolgens de maximale spreidingsfactor als functie van We . De wetenschappers schreven het verschil in de maximale spreidingsfactor tussen verschillende oppervlaktestructuren toe aan visco-elastische breuk in zachte materialen. Om het verspreidingsgedrag van inslaande druppeltjes op microstructuren beter te begrijpen, Hu et al. een theoretisch spreidingsmodel opgesteld, om de verrichte arbeid te schatten (W) om uit te spreiden tot een maximale diameter op een flexibel of stijf oppervlak.

De wetenschappers berekenden vervolgens de restitutiecoëfficiënt, d.w.z., de verhouding van relatieve snelheid tussen twee objecten na een botsing in de opstelling, om de resterende kinetische energie van de druppeltjes te kwantificeren na het optillen van oppervlakken. De depositie/rebound (DEP-REB) overgangen op dergelijke oppervlakken lieten de invloed van flexibele modificatie op de restitutiecoëfficiënt niet zien . Ze bespraken het effect van flexibele ondersteuningsaanpassingen op de contacttijd van de druppel, die afhing van de positie van de impact. Door flexibele microstructuren op een stijf substraat te immobiliseren met efficiënte fabricagestrategieën, overwon het team de tekortkomingen van druppelcontact.

Op deze manier, Songtao Hu en collega's overbrugden de kloof tussen twee onderzoeksgebieden van functionele oppervlakken en mechanische materialen om een ​​huid-spierachtig concept te implementeren in oppervlakte-engineering van materialen. Ze ontwierpen bio-geïnspireerde paddestoelachtige waterdichte koppen bovenop veerachtige flexibele steunen om het binnendringen van vloeistof 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-nano-fabricage om de flexibele oppervlakken nauwkeurig te repliceren met instelbare vloeistofafstoting. Hoewel de voorgestelde Nanoscribe-techniek voor zeer nauwkeurige 3D directe laserlithografie een snelle prototypingtechnologie biedt, de techniek moet geoptimaliseerd worden voor grootschalige fabricage in de praktijk. De evoluerende 3D-printtechnologieën zullen meer opties bieden voor productie-efficiëntie op centimeterschaal met hoge doorvoer.

© 2020 Wetenschap X Netwerk