Достижения в области автомобилестроения
Открытый доступ

Абстрактный

Любите или ненавидите воду?

Лицю Ван

В этом докладе речь пойдет о трех методах, недавно разработанных в HKU, которые используют биоинспирированные микроструктуры для точного управления жидкостями: сбор воды, отталкивание жидкости и захват/выпуск капель. Уникальные структурные и топологические особенности паучьего шелка и его паутины позволяют им быть суперсборщиками воды, о чем свидетельствует большое количество капель воды, попадающих на них ранним утром. С помощью микрофлюидной технологии мы точно изготовили прочные микроволокна с узлами-полостями веретена и различными топологическими сетями волокон, имитирующими эти особенности. Эти микроволокна наделены уникальной шероховатостью поверхности, механической прочностью и долговечностью, что обеспечивает сверхпроизводительность в сборе воды. Максимальный объем воды, собранный на одном узле, почти в 495 раз превышает объем узла; сбор воды становится еще более эффективным и масштабируемым с их сетями. Эти легкие, но прочные и недорогие микроволокна предлагают многообещающие возможности для сбора воды в районах с дефицитом воды. Жидкоотталкивающие поверхности отталкивают жидкости вместо того, чтобы позволять каплям прилипать. Эти поверхности важны во многих областях, включая самоочищающуюся одежду и кухонные принадлежности, улучшенную теплопередачу, а также противообрастающие, антикоррозионные и снижающие сопротивление покрытия. Мечтой исследований и разработок в области водоотталкивающих материалов является структура, которая обладает надежной водоотталкивающей способностью, высокой механической устойчивостью и является недорогой для производства в коммерческих масштабах. Однако функциональные результаты существующих водоотталкивающих поверхностей не были удовлетворительными из-за несоответствий традиционных структурных и производственных подходов в проектировании микроструктур и свойств таких поверхностей. Мы разработали недорогой масштабируемый подход для изготовления четко определенных пористых поверхностей с надежной водоотталкивающей способностью и высокой механической устойчивостью. Конструкция водоотталкивающих поверхностей вдохновлена ​​структурами на кутикулах ногохвосток, которые могут эффективно разрешить давний конфликт между водоотталкивающей способностью и механической устойчивостью. Ногохвостки — это почвенные членистоногие, места обитания которых часто подвергаются дождям и наводнениям. В результате ногохвостки развили кутикулы с высокой механической прочностью и надежной водоотталкивающей способностью, чтобы противостоять трению частиц почвы и выживать в водной среде. Мы проектируем пористые поверхности, состоящие из взаимосвязанных сотовых микрополостей с профилем reentrant: взаимосвязанность обеспечивает механическую стабильность, а структура reentrant обеспечивает надежную водоотталкивающую способность. Кутикулоподобные пористые поверхности изготавливаются путем самосборки с использованием микрофлюидных капель, что в полной мере использует возможности микрофлюидики с точки зрения масштабируемости и точной обработки небольших объемов жидкости. Создание этих кутикулоподобных пористых поверхностей с использованием микрофлюидики привело к точному, контролируемому, масштабируемому и недорогому изготовлению.Некоторые полуводные насекомые могут легко ходить по воде и подниматься по склону мениска благодаря густому волосяному покрову и втягивающимся когтям дополнительной смачиваемости на их лапках. Вдохновленные этим, мы создали механорегулируемую поверхность, чья сила сцепления с каплями жидкости может быть просто переключена с помощью механического регулирования. Механорегулируемая поверхность функционирует как «волшебная рука», которая может захватывать и выпускать множество крошечных капель точно и без потерь, и работает как для капель воды, так и для капель масла вплоть до нанолитрового масштаба. Эти поверхности актуальны и имеют решающее значение в различных высокоточных областях, таких как медицинская диагностика и разработка лекарств, где точная передача крошечных жидкостей является обязательным условием. Изучение природы прокладывает путь к созданию нано/микроструктур с уникальными характеристиками для взаимодействия с жидкостями по требованию. Маленькие, но мощные, эти структуры могут эффективно и точно манипулировать жидкостями. С помощью этих методов воду можно собирать прямо из воздуха в пустынях, больше не нужно стирать белье, а с жидкостями можно удобно обращаться как с твердыми телами.