仿生一维锥表面螺旋微沟槽调控液滴定向运动研究.pdf

摘要

液滴定向运动在雾水收集、微流控、自清洁等领域具有重要的应用价值，引起了

国内外科学界的广泛关注。液滴在基底表面的定向运动性能主要受材料化学组成和表

面形貌及微结构的影响。如何在不借助于重力等外力作用下，实现液滴的快速定向运

动是当前面临的主要挑战。

带微沟槽锥结构的仙人掌刺为定向输送液体的设计提供了理想的模型。受仙人掌

刺的启发，许多人工液体输送系统已被报道。与无沟槽的锥形刺相比，有沟槽的锥形

刺能够放大其上液滴所受拉普拉斯压差，因而具有更高效的液体输送性能。事实上，

天然仙人掌针刺上的阵列微沟槽是螺旋状的，而不是直的。此外，螺旋结构还存在于

与液体输运密切相关的植物木质部组织和动物心脏组织。截至目前，螺旋微结构对液

体输送的影响及作用机理还没有被探讨。

在此背景下，本论文主要受天然仙人掌针刺表面螺旋微沟槽结构启发，探讨一维

不对称微结构表面螺旋微沟槽对液滴定向运动性能的影响规律及作用机制，并尝试研

究螺旋微沟槽针刺在雾水收集方面的应用优势。改变锥的螺旋结构，比较不同螺旋结

构锥表面的液滴定向运动速度，优化改进螺旋结构尺寸。具体研究内容如下：

（1）具有螺旋微沟槽的一维锥表面液滴定向运动性能及以其为核心的雾水收集系

统的雾水收集行为。受天然仙人掌针刺表面微沟槽结构特点的启发，利用3D打印结合

模板复型的方法制备了带有螺旋微沟槽的锥，对比带有阵列直线微沟槽锥的液体输送

能力。实验结果表明，液滴在螺旋微沟槽及直线微沟槽一维锥表面开始运动的临界体

积分别为0.17µL及0.41µL，相应的平均运动速度为96.73µm/s及29.72µm/s，即螺旋

微沟槽锥具有更优异的液体输送能力。分析认为，螺旋微沟槽使得液滴更容易从蛤壳

形态向桶型形态转变，液滴在沿锥的径向上长度更长，同时气-液-固三相接触线

（TPCL）形态发生转变，整体上使液体所受由拉普拉斯压差引起的运动驱动力增大，

促进了液滴的定向运动。进一步将螺旋微沟槽锥与经脱木质素处理的高吸水性木块相

结合，构建了液滴定向输运后可被快速吸收的雾收集系统，展示了连续高效的雾水收

集能力。这种新型螺旋微沟槽锥结构将为液体操纵系统的设计提供新的思路。

（2）调控一维锥表面螺旋微结构参数，进一步优化液体定向输运性能。在前一部

I

分研究的基础上，发展一种简单高效的对螺旋微结构进行可控调控的策略有助于系统

研究螺旋沟槽对液滴定向运动的促进作用。本章，我们以截面为三角形的微米线在锥

形铜丝表面进行螺旋缠结，通过改变缠结参数获得螺距及螺旋角度可控的一系列螺旋

微结构，复合后续的模板复型办法，成功制备了具有螺旋微沟槽的一维锥结构。液滴

在其上的的运动速度可由24.46µm/s调节至87.42µm/s，证实了锥表面螺旋微结构参数

对液滴定向运动能力的调控作用。后续，将进一步优化螺旋微结构参数，提高液体的

运动性能。该部分工作有助于推动具有螺旋微沟槽的一维锥在实际中的应用。

关键词：螺旋微沟槽，一维锥，液滴定向运动，拉普拉斯压差，雾水收集

II

ABSTRACT

Dropletdirectionalmotionhasimportantapplicationvalueinfogwatercollection,microfluidics,self-

cleaningandotherfields,whichhasattractedalotofattentionfromthescientificcommunityathomeand

abroad.Thedirectionalmotionofdropletsonthesubstratesurfaceismainlyinfluencedbythechemical

compositionofthematerialandthesurfacemorphologyandmicrostructure.The