CN104355283B - 一种液体单方向铺展仿生表面织构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液体单方向铺展仿生表面织构，它通过模仿猪笼草口缘表面液体单方向铺展的功能和结构特征，在表面上加工与猪笼草口缘表面结构一致或近似的线性或面性表面织构，利用微结构的楔形特征产生的毛细楔形效应，液体在毛细楔形效应作用下在表面上单方向铺展运动，从而实现液体在织构表面上的单方向铺展；因而在手术刀、刀具、微机电系统、微流体、生物芯片等系统或结构表面上加工与口缘斜孔结构三维特征一致或近似的斜孔、斜坑、斜槽等结构，利用这些结构的楔形特征产生的毛细楔形效应，使液体在表面织构上单方向的铺展和运动，使得液体的单方向运输和单方向润滑等功能成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及一种液体单方向铺展仿生表面织构，更具体地说，是指一种模仿猪笼草口缘液体单方向铺展的功能和结构，依靠毛细现象中的楔形效应，实现液体单方向铺展的表面织构，属于微纳米制造技术领域。
背景技术
能够使液体单方向铺展运动的表面可实现液体的方向搬运、液体的方向自润滑等，这种表面只依靠表面的微结构特征产生的毛细力就能实现相应的搬运及润滑功能，而无需外力的干预。这些功能可应用在手术刀表面、刀具表面、微流体表面、生物芯片表面等众多领域，因而设计和制造具有能够使得液体单方向运动的表面织构成为微纳米领域的研究热点。
已有的液体方向搬运结构比较著名的是模仿蜘蛛丝结构制造的线性丝状结构，它能实现液体的单方向搬运，但是搬运的液体量及搬运的距离都是非常小的，且只能是丝状线性结构，无法拓展到面性结构。实际应用的系统或结构大多为面性特征，因而线性结构具有很大的局限性。然而，从功能出发去设计和制造具有液体单方向运动功能的表面是非常困难的，而经过亿万年进化的大自然提供了大量的功能结构和特征，模仿大自然设计和制造具有液体单方向运动的表面是非常重要的途径。
猪笼草捕虫笼口缘表面具有特殊的斜孔结构，能够实现液体在其口缘上单方向运动，为液体单方向运动表面的设计提供了非常好的参考。本专利申请通过对猪笼草口缘结构的仿生研究，提出一种液体单方向铺展仿生表面织构，该表面织构可以通过本身结构具有的毛细楔形效应实现液体的单方向运动。
发明内容
1、目的：本发明的目的是提供一种液体单方向铺展仿生表面织构，该表面织构是模仿猪笼草口缘表面液体单方向铺展的结构和功能，能够利用自身的楔形特征产生毛细楔形效应，使液体在单元结构上单方向运动，实现液体在整个织构表面上的单方向铺展和运输。
2、技术方案：本发明一种液体单方向铺展仿生表面织构，通过模仿猪笼草口缘表面液体单方向铺展的结构和功能，在表面上加工与猪笼草口缘表面结构一致或近似的线性或面性表面织构，利用微结构的楔形特征产生的毛细楔形效应，液体在毛细楔形效应作用下在表面上单方向铺展运动，从而实现液体在织构表面上的单方向铺展。
所述猪笼草口缘表面结构，猪笼草可以是能够捕食昆虫的猪笼草种属的任一种猪笼草，猪笼草口缘表面结构是指猪笼草捕虫笼的口缘表面的微结构，典型的微结构包括有两级沟槽，以及第二级沟槽里的微斜孔结构。
所述的在表面上加工与猪笼草口缘表面结构一致或近似的线性或面性表面织构，表面可以是手术刀表面、刀具表面、微机电系统表面、微流体表面、生物芯片表面以及应用于液体方向铺展或运输的系统或结构的表面上。
其中，在仿生表面上加工表面织构的加工方法可以是机械切削、电解、化学刻蚀、光刻、激光雕刻、压印、3D打印中的一种。
其中，与猪笼草口缘表面结构一致，指的是表面织构的单元结构与口缘表面单元结构三维尺寸参数一致，或者是等比例的放大或缩小。
其中，与猪笼草口缘表面结构简化近似的表面织构，指的是表面织构的单元结构具有与口缘表面单元斜孔结构类似的具有能产生毛细楔形效应的斜孔、斜坑、斜槽等结构。
其中，在表面上加工的线性结构，指的是以单元结构进行线性阵列所得结构，单元结构间距大于0、小于单元结构沿斜孔或斜坑方向的长度。
其中，在表面上加工的面性结构，指的是以单元结构进行面性阵列所得结构，面性阵列是线性阵列结构在垂直于线性阵列特征的阵列方向进行的线性阵列，阵列间距为不大于单元结构的宽度。
3、优点及功效：设计了一种液体单方向铺展仿生表面织构，它从仿生角度出发，模仿猪笼草口缘液体单方向铺展的功能和特征，在表面上加工具有楔形特征的结构，利用楔形结构特有的毛细楔形效应，有效的实现了液体的单方向铺展，使得刀具、微流体、生物芯片等系统或结构表面上实现液体的单方向铺展和运输。
附图说明
图1：是猪笼草口缘形貌的扫描电子显微镜照片。
图2：是图1中口缘表面斜孔的剖面形貌的扫描电子显微镜照片。
图3a：是单个口缘斜孔结构的模型示意图。
图3b：是图3a的俯视图。
图3c：是图3b所示位置的斜孔结构剖面图。
图3d：是图3a结构线性阵列得到的线性织构示意图。
图3e：是图3a结构面性阵列得到的平面织构示意图。
图4a：是单个弧形斜坑结构的示意图。
图4b：是图4a的俯视图。
图4c：是图4b所示位置的斜孔结构剖面图。
图4d：是图4a结构线性阵列得到的线性织构示意图。
图4e：是图4a结构面性阵列得到的平面织构示意图。
图5a：是三角形斜坑结构的示意图。
图5b：是图5a的俯视图。
图5c：是图5b所示位置的斜孔结构剖面图。
图5d：是图5a结构线性阵列得到的线性织构示意图。
图5e：是图5a结构面性阵列得到的平面织构示意图。
图6a：是三角弧形斜坑结构的示意图。
图6b：是图6a的俯视图。
图6c：是图6b所示位置的斜孔结构剖面图。
图6d：是图6a结构线性阵列得到的线性织构示意图。
图6e：是图6a结构面性阵列得到的平面织构示意图。
图中符号说明如下：
1…猪笼草口缘表面的单个斜孔结构11…单个斜孔结构的槽脊
12…单个斜孔结构的外轮廓13…单个斜孔结构的内轮廓
14…斜孔结构的线性织构15…斜孔结构的面性织构
2…口缘斜孔结构的弧形简化斜坑21…弧形简化斜坑的槽脊
22…弧形简化斜坑的外轮廓23…弧形简化斜坑的内轮廓
24…弧形简化斜坑的线性织构25…弧形简化斜坑的面性织构
3…口缘斜孔结构的三角形简化斜坑31…三角形简化斜坑的槽脊
32…三角形简化斜坑的外轮廓33…三角形简化斜坑的内轮廓
34…三角形简化斜坑的线性织构35…三角形简化斜坑的面性织构
4…口缘斜孔结构的三角弧形简化斜坑41…三角弧形简化斜坑的槽脊
42…三角弧形简化斜坑的外轮廓43…三角弧形简化斜坑的内轮廓
44…三角弧形简化斜坑的线性织构45…三角弧形简化斜坑的面性织构
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
图1是猪笼草口缘表面形貌的扫描电子显微镜照片，口缘表面分布着单一朝向的斜孔结构，斜孔外轮廓是半椭圆形的，斜孔结构阵列分布在槽形结构里。图2是图1所示位置的剖面，可以看到斜孔结构的内部特征。当液体滴加到口缘表面时，斜孔结构内部斜孔顶与斜孔底形成的楔形会使得液体在槽形结构里朝向斜孔内部的方向铺展和运动。结合斜孔结构的结构特征和功能特征，可进行仿生液体单方向铺展表面织构的设计，下面结合四个实例具体说明。
实施例1
图3a是与猪笼草口缘表面斜孔结构三维特征一致的猪笼草口缘表面的单个斜孔结构1，单个斜孔结构的槽脊11，槽脊的高度为10μm。单个斜孔结构的外轮廓12为半椭圆形，其中半椭圆的长半轴长为95μm，短半轴长为25μm，外轮廓所在平面与垂直于槽脊方向平面的夹角为斜向下8°。单个斜孔结构的内轮廓13也是半椭圆形，其中半椭圆形的长半轴长为120μm，短半轴长为25μm，内轮廓所在平面与垂直于槽脊方向的平面的夹角为斜向下10°。图3c详细显示了单个斜孔结构的图3b所示位置的剖面信息。其中单个斜孔结构的内轮廓13形成的楔形夹角会产生楔形效应，对液体产生的毛细楔形效应会使得液体沿着朝向斜孔内部的方向铺展和运动。
图3d是单个斜孔结构的线性阵列，即是该单个斜孔结构的线性织构14，每个单元结构的间距是80μm。图3e是单个斜孔结构的面性阵列，即是该单元结构的面性织构，也可看成是线性织构沿着垂直于朝向斜孔内部方向的线性阵列，其阵列间距等于单个斜孔结构的宽度，即50μm。
由与猪笼草口缘结构三维特征一致的斜孔结构形成的线性织构或面性织构可以通过电解、3D打印、生物复制成形、压印等方法加工。所得织构具有方向性的楔形特征，能使得其表面上的液体沿着朝向斜孔内部的方向铺展和运动。弧形简化斜坑的外轮廓
实施例2
图4a是猪笼草口缘斜孔结构的弧形简化斜坑2，斜坑结构不再有封闭的孔隙特征，其是沿弧形边缘特征垂直向下方形成的斜坑结构。弧形简化斜坑的槽脊21两侧为长方体槽脊，槽脊的高度为10μm，槽脊宽度为5μm。弧形简化斜坑的外轮廓22为半椭圆形，其中半椭圆的长半轴长为100μm，短半轴长为40μm(垂直于槽脊方向)，弧形斜坑底部轮廓所在平面与垂直于槽脊方向平面的夹角为斜向下10°。图4c详细显示了单个弧形斜坑结构的图4b所示位置的剖面信息。其中，弧形简化斜坑的内轮廓23形成的楔形夹角会产生楔形效应，对液体产生的毛细楔形效应会使得液体沿着朝向弧形斜坑内部的方向铺展和运动。
图4d是单个弧形斜坑结构的线性阵列，即是该单元弧形简化斜坑的线性织构24，每个单元结构的间距是70μm。图4e是单个斜孔结构的面性阵列，即是该单元弧形简化斜坑的面性织构25，也可看成是线性织构沿着垂直于朝向弧形斜坑内部方向的线性阵列，其阵列间距是45μm。
由猪笼草口缘结构简化的弧形斜坑结构形成的线性织构或面性织构可以通过电解、3D打印、光刻、激光雕刻、压印等方法加工。所得织构具有方向性的楔形特征，能使得其表面上的液体沿着朝向弧形斜坑内部的方向铺展和运动。
实施例3
图5a是猪笼草口缘斜孔结构的三角形简化斜坑3，斜坑结构不再有封闭的孔隙特征，其是沿三角形边缘特征垂直向下方形成的斜坑结构。三角形简化斜坑的槽脊31两侧为长方体槽脊，槽脊的高度为10μm，槽脊宽度为5μm。三角形简化斜坑的外轮廓32为三角形，其中三角形的高为100μm，底边长为40μm(垂直于槽脊方向)，三角形斜坑底部轮廓所在平面与垂直于槽脊方向平面的夹角为斜向下10°。图5c详细显示了单个三角形斜坑结构的图5b所示位置的剖面信息。其中三角形简化斜坑的内轮廓33形成的楔形夹角会产生楔形效应，对液体产生的毛细楔形效应会使得液体沿着朝向三角形斜坑内部的方向铺展和运动。
图5d是单个三角形斜坑结构的线性阵列，即是该三角形简化斜坑的线性织构34，每个单元结构的间距是70μm。图5e是单个斜孔结构的面性阵列，即是该三角形简化斜坑的面性织构35，也可看成是线性织构沿着垂直于朝向三角形斜坑内部方向的线性阵列，其阵列间距是45μm。
由猪笼草口缘结构简化的三角形斜坑结构形成的线性织构或面性织构可以通过电解、3D打印、光刻、激光雕刻、压印等方法加工。所得织构具有方向性的楔形特征，能使得其表面上的液体沿着朝向三角形斜坑内部的方向铺展和运动。三角形简化斜坑的线性织构
实施例4
图6a是猪笼草口缘斜孔结构的三角弧形简化斜坑4，斜坑结构不再有封闭的孔隙特征，其是沿三角弧形边缘特征垂直向下方形成的斜坑结构。三角弧形简化斜坑的槽脊41两侧为长方体槽脊，槽脊的高度为10μm，槽脊宽度为5μm。三角弧形简化斜坑的外轮廓42为三角弧形，其中三角弧形顶点到底边的高为100μm，底边长为40μm(垂直于槽脊方向)，三角弧形两条弧形边与槽脊的边缘呈相切过渡，三角弧形斜坑底部轮廓所在平面与垂直于槽脊方向平面的夹角为斜向下10°。图6c详细显示了单个三角形斜坑结构的图6b所示位置的剖面信息。其中，三角弧形简化斜坑的内轮廓43形成的楔形夹角会产生楔形效应，对液体产生的毛细楔形效应会使得液体沿着朝向三角弧形斜坑内部的方向铺展和运动。
图6d是单个三角弧形斜坑结构的线性阵列，即是该三角弧形简化斜坑的线性织构44，每个单元结构的间距是70μm。图6e是单个斜孔结构的面性阵列，即是三角弧形简化斜坑的面性织构45，也可看成是线性织构沿着垂直于朝向三角弧形斜坑内部方向的线性阵列，其阵列间距是45μm。
由猪笼草口缘结构简化的三角弧形斜坑结构形成的线性织构或面性织构可以通过电解、3D打印、光刻、激光雕刻、压印等方法加工。所得织构具有方向性的楔形特征，能使得其表面上的液体沿着朝向三角弧形斜坑内部的方向铺展和运动。
本发明通过模仿猪笼草口缘表面斜孔结构具有的液体方向性铺展运动的功能和特征，在手术刀、刀具、微机电系统、微流体、生物芯片以及应用于液体方向铺展或运输的系统或结构的表面上加工具有口缘表面斜孔结构三维特征一致或简化近似结构的表面织构，使这些表面具有液体方向性铺展和运输的功能，使得液体方向搬运和方向润滑等功能成为可能。
Claims (7)
1.一种液体单方向铺展仿生表面织构，其特征在于：通过模仿猪笼草口缘表面液体单方向铺展的结构和功能，在表面上加工与猪笼草口缘表面结构一致或近似的线性或面性表面织构，利用微结构的楔形特征产生的毛细楔形效应，液体在毛细楔形效应作用下在表面上单方向铺展运动，从而实现液体在织构表面上的单方向铺展；
所述猪笼草口缘表面结构，猪笼草是能够捕食昆虫的猪笼草种属的任一种猪笼草，猪笼草口缘表面结构是指猪笼草捕虫笼的口缘表面的微结构，包括有两级沟槽，以及第二级沟槽里的微斜孔结构。
2.根据权利要求1所述的一种液体单方向铺展仿生表面织构，其特征在于：所述的在表面上加工与猪笼草口缘表面结构一致或近似的线性或面性表面织构，表面是手术刀表面、微机电系统表面、微流体表面、生物芯片表面、应用于液体方向铺展或运输的结构表面。
3.根据权利要求1所述的一种液体单方向铺展仿生表面织构，其特征在于：在仿生表面上加工表面织构的加工方法是机械切削、电解、化学刻蚀、光刻、激光雕刻、压印、3D打印中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种液体单方向铺展仿生表面织构，其特征在于：与猪笼草口缘表面结构一致，指的是表面织构的单元结构与口缘表面单元结构三维尺寸参数一致，或者是等比例的放大或缩小。
5.根据权利要求1所述的一种液体单方向铺展仿生表面织构，其特征在于：与猪笼草口缘表面结构近似的表面织构，指的是表面织构的单元结构具有与口缘表面单元斜孔结构类似的具有能产生毛细楔形效应的斜孔、斜坑、斜槽结构。
6.根据权利要求1所述的一种液体单方向铺展仿生表面织构，其特征在于：在表面上加工的线性结构，指的是以单元结构进行线性阵列所得结构，单元结构间距大于0、小于单元结构沿斜孔或斜坑方向的长度。
7.根据权利要求1所述的一种液体单方向铺展仿生表面织构，其特征在于：在表面上加工的面性结构，指的是以单元结构进行面性阵列所得结构，面性阵列是线性阵列结构在垂直于线性阵列特征的阵列方向进行的线性阵列，阵列间距为不大于单元结构的宽度。
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