英文原题：Bionic jaw-like micro one-way valve for rapid and long-distance water droplet unidirectional spreading
通讯作者：Hui Zhang, 张辉，西安交通大学机械工程学院
作者：Yang Liu(刘洋), Yijun Zhu (朱燚鋆), Jiawei Chen (陈佳伟), Pu Wang (王璞), Songjie Dai (代松杰), Xing Li (李星), Guangneng Dong (董光能)
背景介绍
液体快速可控输送因其在微流控、散热、油水分离、微量润滑等科学和工程领域展现出巨大的应用潜力，成为当下研究热点。通常液体运输的方法根据是否施加外部动力分为自驱动运输和外场驱动运输。自驱动液体输送方法一般通过改变化学性质产生润湿性梯度或通过非对称微结构产生不平衡的表面张力从而实现液滴的定向运动。与外场驱动相比，表面自驱动具有响应速度快、结构紧凑、无需额外能量输入等优点，因此具有广阔应用前景。当前的研究普遍通过猪笼草口缘三维结构仿生，加工具有腔体或倾斜柱体等复杂三维结构的表面，虽然实现了液体定向引导，但是复杂的三维结构加工成本高、易损坏，从而限制了非对称微结构自驱动引导表面的应用。
图1. 仿生单向阀结构用于液滴快速长距离单向铺展
文章亮点
近日，西安交通大学张辉副教授在Nano Letters 上发表论文：采用平面光刻技术制备新型颚式单向阀微结构，通过简单结构实现水基液体快速长距离自驱动引导。受蚂蚁颚部结构饮水效应的启发，设计具有颚式微型单向阀的功能化表面，水滴在其上单向铺展的最大前进后退比约为 14.5，几乎是先前研究的两倍。分析了颚式结构口部的毛细力和锐角边缘效应对液滴前驱体膜带来的引导及钉扎效应。该发现为非称微结构设计及液体自驱动单向引导提供了研究思路。
图2. 仿蚂蚁颚部微结构设计液滴单向引导功能化表面
图3 仿生单向阀微结构的应用 a液滴沿 10° 倾斜面逆重力向上铺展。b液滴连续滴加在呈圆形排布的微结构表面。c将仿生单向阀结构放大 100 倍的 3D 打印试样可单向引导水流。d1-d2将仿生单向阀结构设计在摩擦副的非接触区，包围有仿生单向阀结构的表面摩擦系数曲线相对较低且稳定。e1-e2单向阀结构使前驱体膜可以在双方向铺展。
总结/展望
本研究提出了一种仿蚂蚁颚部的微型单向阀微结构表面，可以通过平面光刻法加工，可实现各种水基液体的快速长距离单向输送。水滴在优化后的单向阀微结构前后铺展比为 14.5，几乎是之前研究的两倍。通过液滴的流动观察分析和前体膜受力分析，阐明了液滴主体及前体膜单向铺展和钉扎的机制。实现了液滴在弯曲的微型单向阀结构路径上的单向铺展和在放大的微型单向阀结构上的连续液流引导。在摩擦副的接触区域四周设计了微型单向阀结构表面以引导和保留润滑剂从而提高润滑性能。模块化的微型单向阀结构实现了液滴前体薄膜的多向可控铺展。该研究的机理探索和应用为实现非对称微结构设计和可控液体自驱动单向引导提供了研究思路。
相关论文发表在Nano Letters 上，西安交通大学博士研究生刘洋为文章的第一作者， 张辉副教授为通讯作者。
通讯作者信息：
张辉 西安交通大学
张辉，2016年获西安交通大学工学博士学位，2017年获香港城市大学联合培养博士学位。现为西安交通大学机械工程学院副教授，主要研究方向包括：织构化表面摩擦学设计与应用、微纳米流固耦合功能化表面、表面流体减阻、摩擦触感等。曾获教育部技术发明一等奖，上银优秀机械博士论文佳作奖。
个人主页：https://gr.xjtu.edu.cn/web/zhanghui7/home
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Nano Lett. 2023, 23, 12, 5696–5704
Publication Date: June 8, 2023
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c01317
Copyright © 2023 American Chemical Society
