CN108579827B - 一种长距离自发定向传输液滴的仿生结构及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及领域，特别是一种长距离自发定向传输液滴的仿生结构及其加工方法。所述仿生结构包括至少两个锥形柱；所述锥形柱首尾相连并同轴排列形成条状的锥形刺；所述锥形刺的多个锥形柱的顶角和长度，沿着所述锥形刺的顶尖到底面的方向逐渐增大。使得在所述锥形刺的尖端的液滴始终能自发的向所述锥形刺的非尖端移动，在液滴传输过程中拉普拉斯力在不同的锥形柱上逐渐变小，但在所述锥形刺整体上大小是不断变化的，能够保证液滴在所述锥形刺上始终自发的向指定方向传输。所述加工方法巧妙利用电解条件和移动关系，将细微的金属丝可快速加工成具有多个锥形柱组成的特殊形状，即可精准的控制加工精度，大大的提高了加工效率和加工精度。

Description

一种长距离自发定向传输液滴的仿生结构及其加工方法
技术领域
本发明涉及领域，特别是一种长距离自发定向传输液滴的仿生结构及其加工方法。
背景技术
如何操纵微液滴并使其定向传输，具有重要的理论意义和实际应用价值。如从干燥的空气中收集水分，对于干旱地区具有关乎生存的重要意义；如通过定向控制微液滴冷却水的运动，对微电子元器件进行有效的散热以保证其高效工作，有着重要的意义；如操纵溶解着不同反应物的液体进行混合和反应，对于开发微流控器件具有关键性的意义。此外，如何尽可能地在较低能耗下实现定向输运，对于节约能源具有重要的意义。
目前，人类向自然界学习，发现了许多天然结构和天然材料具有自发性定向传输液滴的功能，如仙人掌刺、荷叶、蜘蛛网、海鸟的喙、沙漠甲壳虫背部、麦芒、蝴蝶翅膀表面、翼状猪笼草捕虫笼的内表面等。通过对这些神奇的自发性定向传输液滴现象的研究，科学家逐渐掌握了背后的机理，并开发出了一些具有同样功能的仿生智能材料。如效仿仙人掌刺收集水雾的机理，科学家开发出了人工仿生水雾收集装置，可收集多雾空气中的水分，有望解决水资源紧缺地区的难题；效仿蜘蛛网定向传输液滴的原理，科学家使用静电纺丝的方法制备了仿生蜘蛛网结构，可实现液滴的定向传输和收集，有望用到集水和微流控器件的场合；效仿麦芒张合定向控制液滴运动的现象，科学家开发了一种操纵液滴的开关，通过人为控制结构达到操纵液滴的目的，有望应用到微流控器件当中。因此，操纵液滴定向传输有着广泛的研究前景和应用价值。
模仿仙人掌刺和刺簇结构，现有技术中使用模板复制的方法制备仿生仙人掌刺结构，并对其进行集成，实现水雾收集的功能。它们使用的仿生仙人掌刺结构长度为1.5毫米，使用更长的仿生仙人掌刺结构，有望提高收集效率；现有技术中提出一种仿生雾气集水器，使用锥形铜丝、支架铜丝和半空心球组成雾气收集系统，其中锥形铜丝为模仿天然仙人掌刺的单节锥形结构，并进行了梯度润湿性处理。但是，用于自发性传输液滴的仿仙人掌刺结构的驱动力是与曲率(直径的倒数)成反比拉普拉斯压力差。当单节锥形结构的长度增加，其直径也会线性增加，使得传输液滴的驱动力拉普拉斯力会逐渐变小，从而无法继续在更大距离上传输微液滴。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种长距离自发定向传输液滴的仿生结构及其加工方法，对于改进现有仿仙人掌刺结构的有效工作范围和工作效率，拓展其应用范围具有重要的作用。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种长距离自发定向传输液滴的仿生结构，其包括至少两个锥形柱；所述锥形柱首尾相连并同轴排列形成条状的锥形刺。
当水雾在其表面冷凝形成，或通过机械搬运等方式将液滴附着在尖端的锥形柱表面时，锥形柱直径较小处附近液滴受到较大的拉普拉斯力，而锥形柱直径较大处受到较小的拉普拉斯力，两者之间产生一定的差值，形成一个由锥形柱直径较小处指向直径较大处的驱动力。当这一驱动力大于液滴受到的摩擦力时，液滴会沿着该结构表面，从锥形柱直径较小处向直径较大处运动；在惯性的作用下，液滴跨越两节锥形柱的结合处，运动至下一节锥形柱；由于继续受到拉普拉斯压力差的影响，当拉普拉斯压力差大于摩擦力时，继续往直径较大的一端运动，直至去到多节锥形柱的末端或拉普拉斯压力差小于摩擦力时停止。所述仿生结构仿生仙人掌刺结构但是对结构进行了改进，使得在所述锥形刺的尖端的液滴始终能自发的向所述锥形刺的非尖端移动，而且在液滴传输过程中拉普拉斯力不是逐渐变小的，而是在不同的锥形柱上逐渐变小但在所述锥形刺整体上大小是不断变化的，从而能够保证液滴在所述锥形刺上始终自发的向指定方向传输。
更优的，所述锥形刺的多个锥形柱的顶角和长度，沿着所述锥形刺的顶尖到底面的方向逐渐增大。液滴从所述锥形刺的尖端向底端定向传输时，液滴会逐渐变大，如果所述锥形刺的每一节锥形柱都相同，那么当液滴传输至所述锥形刺的中部某个位置，由于自身液滴体积过大，再加上拉普拉斯力和惯性的作用，液滴传传输至锥形刺的底部位置附近时无法受到足够大的摩擦力而停止运动；将所述锥形刺的多个锥形柱的顶角和长度逐渐增长时，液滴沿这所述锥形刺运输时收到的摩擦力也会逐渐增大，可保证液滴的传输速度更加均匀，且到达底端位置附近时可以停止下来。
具体的，所述锥形柱的底面直径中最小的为10-100μm，最大的为110-500μm；所述锥形柱的顶角为0-60°；所述锥形柱的长度为：100～2000μm；所述锥形刺的长度为200～2000μm。
对锥形柱的尺寸参数进行限定可进一步保证液滴能自发的向所述锥形刺一端传输，并当其传输至所述锥形刺的低端时能达到受力平衡而停止或缓慢传输。
更优的，所述锥形柱的圆锥面经过梯度电化学处理形成修饰纹理，所述锥形柱的圆锥面与液滴的接触角为0～45°。采用电化学处理所述锥形柱的圆锥面，可保证圆锥面个区域具有高度一致的平整度，便于液滴的传输移动；在所述圆锥面形成修饰纹理，可促使位于同一高度的液滴彼此之间水平移动形成大的液滴，然后再跃过从修饰纹理继续传输，使得液滴在所述锥形刺的圆锥面传输主要以大液滴形式进行缓冲，可减少水分的蒸发同时传输更加缓慢便于到达所述锥形刺底部控制收集。
更优的，还包括球状的安装座本体，多个所述锥形刺均匀的固定在所述安装座本体的表面，所述锥形刺下端的底面与所述安装本体的表面固定，使得所述锥形刺沿着所述安装座本体的直径方向向外呈辐射状延伸。利用所述安装座本体将多个所述锥形刺集成在一起，可大大提高对空气水分的收集，也进一步增加了所述仿生结构的应用效果和范围。
用于制造如上所述的仿生结构的加工方法，其包括如下步骤：
步骤a：将金属丝原料拉直，依次使用无水乙醇、稀盐酸和去离子水进行超声清洗；洗净后，在干燥的氮气流中干燥；步骤b：将一定长度的金属丝固定在加工装置的精密Z轴直线伺服运动平台上，使金属丝的轴心线与Z轴直线伺服运动平台的运动方向平行；将加工装置的精密直流电源的正极与金属丝的一端连接，金属丝的另一端在Z轴直线伺服运动平台的驱动下，不断地在电解液中重复浸没和提出；其中，电解液成分为金属丝的可溶盐溶液，电解液的液面之下浸没着与精密直流电源的负极相连接的金属片；步骤c：测量金属丝最低端距离电解液的液面距离为h微米，需要加工得到的第一节锥形柱长度为S；开启精密直流电源和Z轴直线伺服运动平台，Z轴直线伺服运动平台驱动金属丝以V1速度向下运动h+S微米，并停留T1秒；步骤d：Z轴直线伺服运动平台驱动金属丝以V2毫米/分钟的速度向上运动h+S1微米，停留T2秒。然后，Z轴直线伺服运动平台重复上述向下和向上运动，往复共P次后，在金属丝的一端得到顶为α1的锥形柱；步骤e：经过上述步骤加工得到一节锥度柱后，在该锥度柱的表面涂覆保护液，涂覆的长度为该锥形柱的长度L1微米，使用热风吹干或自然风干固化；步骤f：固化完成后，重复进行上述步骤a至e的操作，加工下一节锥形柱；直至得到第n节锥形柱。
具体的，所述步骤a中金属丝的成分为铜、铝、钛、钨、金或银，且纯度为99.999％及以上。
具体的，所述步骤a中无水乙醇的乙醇含量为99.5％以上，稀盐酸的浓度为1mol/L，去离子水的电阻率为18.2MΩ·cm；所述步骤b中精密Z轴直线伺服运动平台的运动分辨率为1μm；所述步骤b中电解液的浓度为0.1～10mol/L。
具体的，所述步骤c中Z轴直线伺服运动平台驱动金属丝向下运动的速度V1毫米/分钟为1～500mm/min，向下运动的位移h+S微米中，h为0～1000mm，S为100～2000μm，停留时间T1秒为0～10s，向上运动的速度V2毫米/分钟为1～500mm/min，向上运动的位移距离与向下运动的位移距离相同，停留时间T2秒为0～10s；P不小于5。
具体的，所述步骤c中锥形柱的顶角α1为0～60°；所述步骤d中锥形柱的长度L1微米的范围是100～10000μm。
所述加工方法采用倒立电解腐蚀的思路，即所述金属丝的下端为所述仿生结构的尖端，通过Z轴直线伺服运动平台控制金属丝不同区域在电解液中不同的电解腐蚀时间，使金属丝上下端留下部分的直径不同，下端的金属丝被电解腐蚀时间较长，因此消除的材料较多、留下部分的直径较小；而上端的金属丝被电解腐蚀时间较短，因此消除的材料较少、留下部分的直径较大；最后产生了特定顶角为的倒置的锥形柱。所述加工方法巧妙利用了电解条件和电解材料的移动关系，将细微的金属丝可快速加工成具有多个锥形柱组成的特殊形状，在加工过程中只需要设定相关电解参数和移动参数，即可精准的控制加工精度，大大的提高了加工效率和加工精度。
附图说明
图1是本发明的一个实施例中所述锥形刺的结构示意图；
图2是本发明的一个实施例中所述仿生结构的结构示意图；
图3是本发明的一个实施例中用于制造所述的一种自发定向传输液滴的仿生结构的加工方法的工艺流程图。
其中：锥形刺100，第一节锥形柱110，第二节锥形柱120，第三节锥形柱130，第四节锥形柱140，安装座本体200。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1和2所示，一种长距离自发定向传输液滴的仿生结构，其包括安装座本体200和四个锥形柱组成的锥形刺100，四个锥形柱从锥形刺100的尖端到底端依次为：第一节锥形柱110、第二节锥形柱120、第三节锥形柱130、第四节锥形柱140；所述锥形柱首尾相连并同轴排列形成条状的锥形刺100；所述锥形刺100的多个锥形柱的顶角和长度，沿着所述锥形刺100的顶尖到底面的方向逐渐增大；多个所述锥形刺100均匀的固定在所述安装座本体200的表面，所述锥形刺100下端的底面与所述安装本体的表面固定，使得所述锥形刺100沿着所述安装座本体200的直径方向向外呈辐射状延伸。
具体的，所述锥形柱的底面直径中最小的为10-100μm，最大的为110-500μm；所述锥形柱的顶角为0-60°；所述锥形柱的长度为：100～2000μm；所述锥形刺100的长度为200～2000μm。所述锥形柱的圆锥面经过梯度电化学处理形成修饰纹理，所述锥形柱的圆锥面与液滴的接触角为0～45°。
如图3所示，用于制造如上所述的一种自发定向传输液滴的仿生结构的加工方法，其包括如下步骤：
步骤a：将金属丝原料拉直，依次使用无水乙醇、稀盐酸和去离子水进行超声清洗；洗净后，在干燥的氮气流中干燥；
步骤b：将一定长度的金属丝固定在加工装置的精密Z轴直线伺服运动平台上，使金属丝的轴心线与Z轴直线伺服运动平台的运动方向平行；将加工装置的精密直流电源的正极与金属丝的一端连接，金属丝的另一端在Z轴直线伺服运动平台的驱动下，不断地在电解液中重复浸没和提出；其中，电解液成分为金属丝的可溶盐溶液，电解液的液面之下浸没着与精密直流电源的负极相连接的金属片；
步骤c：测量金属丝最低端距离电解液的液面距离为h微米，需要加工得到的第一节锥形柱长度为S；开启精密直流电源和Z轴直线伺服运动平台，Z轴直线伺服运动平台驱动金属丝以V1速度向下运动h+S微米，并停留T1秒；
步骤d：Z轴直线伺服运动平台驱动金属丝以V2毫米/分钟的速度向上运动h+S1微米，停留T2秒。然后，Z轴直线伺服运动平台重复上述向下和向上运动，往复共P次后，在金属丝的一端得到顶为α1的锥形柱；
步骤e：经过上述步骤加工得到一节锥度柱后，在该锥度柱的表面涂覆保护液，涂覆的长度为该锥形柱的长度L1微米，使用热风吹干或自然风干固化；
步骤f：固化完成后，重复进行上述步骤c至e的操作，加工下一节锥形柱；直至得到第n节锥形柱。
具体的，所述步骤a中金属丝的成分为铜、铝、钛、钨、金或银，且纯度为99.999％及以上。
具体的，所述步骤a中无水乙醇的乙醇含量为99.5％以上，稀盐酸的浓度为1mol/L，去离子水的电阻率为18.2MΩ·cm；所述步骤b中精密Z轴直线伺服运动平台的运动分辨率为1μm；所述步骤b中电解液的浓度为0.1～10mol/L。
具体的，所述步骤c中Z轴直线伺服运动平台驱动金属丝向下运动的速度V1毫米/分钟为1～500mm/min，向下运动的位移h+S微米中，h为0～1000mm，S为100～2000μm，停留时间T1秒为0～10s，向上运动的速度V2毫米/分钟为1～500mm/min，向上运动的位移距离与向下运动的位移距离相同，停留时间T2秒为0～10s；P不小于5。所述步骤c中锥形柱的顶角α1为0～60°；所述步骤d中锥形柱的长度L1微米的范围是100～10000μm。
所述加工方法采用倒立电解腐蚀的思路，即所述金属丝的下端为所述仿生结构的尖端，通过Z轴直线伺服运动平台控制金属丝不同区域在电解液中不同的电解腐蚀时间，使金属丝上下端留下部分的直径不同，下端的金属丝被电解腐蚀时间较长，因此消除的材料较多、留下部分的直径较小；而上端的金属丝被电解腐蚀时间较短，因此消除的材料较少、留下部分的直径较大；最后产生了特定顶角为的倒置的锥形柱。所述加工方法巧妙利用了电解条件和电解材料的移动关系，将细微的金属丝可快速加工成具有多个锥形柱组成的特殊形状，在加工过程中只需要设定相关电解参数和移动参数，即可精准的控制加工精度，大大的提高了加工效率和加工精度。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自发定向传输液滴的仿生结构的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a：将金属丝原料拉直，依次使用无水乙醇、稀盐酸和去离子水进行超声清洗；洗净后，在干燥的氮气流中干燥；
步骤b：将一定长度的金属丝固定在加工装置的精密Z轴直线伺服运动平台上，使金属丝的轴心线与Z轴直线伺服运动平台的运动方向平行；将加工装置的精密直流电源的正极与金属丝的一端连接，金属丝的另一端在Z轴直线伺服运动平台的驱动下，不断地在电解液中重复浸没和提出；其中，电解液成分为金属丝的可溶盐溶液，电解液的液面之下浸没着与精密直流电源的负极相连接的金属片；
步骤c：测量金属丝最低端距离电解液的液面距离为h微米，需要加工得到的第一节锥形柱长度为S；开启精密直流电源和Z轴直线伺服运动平台，Z轴直线伺服运动平台驱动金属丝以V1速度向下运动h+S微米，并停留T1秒；
步骤d：Z轴直线伺服运动平台驱动金属丝以V2毫米/分钟的速度向上运动h+S1微米，停留T2秒。然后，Z轴直线伺服运动平台重复上述向下和向上运动，往复共P次后，在金属丝的一端得到顶为α1的锥形柱；
步骤e：经过上述步骤加工得到一节锥度柱后，在该锥度柱的表面涂覆保护液，涂覆的长度为该锥形柱的长度L1微米，使用热风吹干或自然风干固化；
步骤f：固化完成后，重复进行上述步骤a至e的操作，加工下一节锥形柱；直至得到第n节锥形柱。
2.根据权利要求1所示的一种加工方法，其特征在于，所述步骤a中金属丝的成分为铜、铝、钛、钨、金或银，且纯度为99.999％及以上。
3.根据权利要求1所示的一种加工方法，其特征在于，所述步骤a中无水乙醇的乙醇含量为99.5％以上，稀盐酸的浓度为1mol/L，去离子水的电阻率为18.2MΩ·cm；所述步骤b中精密Z轴直线伺服运动平台的运动分辨率为1μm；所述步骤b中电解液的浓度为0.1～10mol/L。
4.根据权利要求1所示的一种加工方法，其特征在于，所述步骤c中Z轴直线伺服运动平台驱动金属丝向下运动的速度V1毫米/分钟为1～500mm/min，向下运动的位移h+S微米中，h为0～1000mm，S为100～2000μm，停留时间T1秒为0～10s，向上运动的速度V2毫米/分钟为1～500mm/min，向上运动的位移距离与向下运动的位移距离相同，停留时间T2秒为0～10s；P不小于5。
5.根据权利要求1所示的一种加工方法，其特征在于，所述步骤c中锥形柱的顶角α1为0～60°；所述步骤d中锥形柱的长度L1微米的范围是100～10000μm。
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