湖南大学王兆龙课题组《ACS AMI》：3D打印仿生功能器件实现微网格结构水下自清洁

金鱼藻具有独特的茎和叶的气孔，其茎叶呈带状，宽度小于0.5 mm，有利于在日照和空气有限的情况下有效进行光合作用（图1a-c）。此外，金鱼藻茎叶上的气孔不仅能与周围环境交换气体进行呼吸，还能阻止外界水流的流入，这对金鱼藻在水下的生存至关重要。

图1. 一种仿生功能开放细胞。(a)金鱼藻。(b)金鱼藻表面覆盖着独特的气孔。(c)金鱼藻表面单气孔示意图。(d)利用PμSL 3D打印技术制备仿生开孔细胞。 

受此启发，湖南大学王兆龙副教授、段辉高教授与中科院理化所董智超研究员，东南大学陈永平教授及上海交通大学郑平院士合作，在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了题为“Underwater unidirectional cellular fluidics”的文章。该文章利用面投影微立体光刻技术(nanoArch S140，摩方精密)制备了原样品。在经过处理后，形成了外表面超亲水和内表面疏水的多孔仿生微结构（特征尺寸400微米），其不同接湿润性产生的拉普拉斯力（图2）保证了多孔仿生微结构的液体单向性能，这使液体被多孔仿生微结构阻挡在外，而在多孔仿生微结构内的液体和气体能被排出。此外，多孔仿生微结构的几何参数对其独特的单向流态性能有很大的影响。该团队也从理论上揭示了液体在3D打印多孔仿生微结构中的单向渗透机理。最终，还展示了多孔仿生微结构在水下厌氧化学反应的潜在应用。这种多孔仿生微结构为水下化学和微流体工程的潜在应用打开了一扇大门，如易燃材料的储存、快速固液分离和厌氧化学反应。

图3.仿生网格在水下的单向流态特性研究。(a)水穿透孔的示意图。(b)不同情况下微孔的水接触线。(c)微孔外水滴的拉普拉斯压力。(d)仿生网格的单向渗透示意图。(e)水下细胞流体性能测试模型。(f)两个孔之间的距离对单向流体性能的影响。(g)孔宽对单向流态性能的影响。

实验结果表明，由于毛细力的作用(图3a-ⅰ)，水在孔的末端以较高的速度上升(图3a-ⅱ)。而由于惯性作用，水将会在达到出口之后继续上升(图3a-ⅲ)，同时，拉普拉斯压力随着孔口液滴弯月面曲率减小而逐渐增大。当拉普拉斯压力达到最大时，如果水的动能使动态接触角大于表面前进接触角，水将会从孔中溢出(图3a-c)。因此，鉴于内表面具备疏水性，水不能渗透到多孔仿生微结构内 (图3d-ⅰ)。相反，由于另外一侧是超亲水表面，最大拉普拉斯力接近0，水将从多孔仿微结构疏水侧渗透到亲水侧(图3d-ⅱ)，从而使得该仿生结构具有优异的单向液体穿透能力。

多孔仿生微结构在水下的单向渗透性能由仿生网格结构失去单向性前的最大水深来表征(图3e-ⅰ)。矩形孔在水下的单向流控性能最好，而三角形孔仿生膜的性能最差。此外，微结构厚度对仿生膜单向流控性能也有较大的影响，在100 μm至1000 μm范围内，仿生膜的可持续水深随膜厚的增加而增加。但随着膜厚的增加，可承受水深将保持在75 mm左右。两孔间距、孔宽对仿生膜水下单向流控性能的影响分别如图3f、g所示。对于150 μm孔，多孔仿生微结构的可承受水深仅为10 mm左右。当孔径为300 μm左右时，可承受水深随着孔间距的增加迅速增加，达到 45 mm左右。之后，随着两孔间距的增加，可承受水深缓慢增加(图3f)。

图4. 水下仿生细胞内部的化学反应。(a)水下仿生细胞。(b)液滴滴在仿生细胞内表面时，仿生细胞的排水特性。(c)液滴滴在仿生细胞外表面时的拒水性能。(d)0.5mol▪L-1NaHCO3与0.5mol▪L-1H2SO4在仿生细胞内的化学反应。(e)0.5mol▪L-1FeSO4与0.5mol▪L-1NaOH在充满CO2的仿生细胞内的化学反应。(f)我们的仿生细胞在水下的自清洁性能。

基于仿生网格的优异液体单向通过特性，研究人员设计了微网格结构组成的封闭仿生细胞腔体。该仿生腔体具有疏水的内壁面及超亲水的外壁面，从而使得外侧的水在一定条件下无法穿过多孔仿生网格进入仿生细胞腔体内，从而形成水下密闭空间。该仿生细胞腔体被应用于微反应器(图4a-c)。研究结果表明，由于网格微米孔的存在，产生的气体可以自由出入仿生细胞(图3a-ⅲ)，并且可在水下形成无氧环境，进而可实现保护气作用下的特殊化学反应。最重要的是，由于仿生网格独特的液体单向特性，该仿生细胞在反应结束后会快速排出腔体内的所有液体，具有极为优异的水下自清洁特性。

该项研究成果获得国家自然科学基金委，湖南省优秀青年基金，广东省重大专项及国防科工局民用航天项目等研究项目支持，以“Underwater unidirectional cellular fluidics”为题发表于国际知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》,14,7 (2022) 9891–9898，其中，湖南大学谢明铸硕士生为第一作者。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.1c24332

作者：王兆龙