鹅毛纤维双重夹角驱动定向液体输运机制及结构仿生设计研究

发布时间：2020-10-22 12:45

　　 液体的定向输运广泛存在于自然界中,其在油水分离、药物输送、雾水收集以及微流控芯片等领域有广泛的应用。人们发现“梯度”在定向输运过程中发挥着极其重要的作用,发展了基于热梯度、光梯度、化学梯度和结构梯度的策略驱动液体定向的输运,并在诸多领域中实现了应用。但基于热梯度、光梯度的定向输运过程需要外部能量输入,基于化学梯度的定向输运过程在时效性存在一定问题,而结构驱动则主要依靠其固有的结构不对称性实现液体的定向输运,一方面不需要外部能量输入,同时可以长时间保持定向输运能力,是一种优越的无动力定向输运策略。现有的结构梯度设计灵感主要来自于仙人掌锥形针刺结构和蜘蛛丝周期性纺锤结构模型。然而在仙人掌锥形针刺结构中,随着锥体延长,拉普拉斯压差将会由于液体难以包裹直径逐渐增大的锥体而丧失,定向输运便难以为继。在蜘蛛丝结构中,液滴无法跨越纺锤结构自身进行输运,难以实现长距离的定向输运。克服锥形针刺结构模型和周期性纺锤结构模型在输运距离上的不足,构建基于新结构模型驱动的定向液体输运体系,实现长距离无动力结构驱动液体定向输运,是发展结构梯度驱动液体定向输运策略的关键。羽毛纤维中存在着明显的不对称性,将这种不对称性结构引入液体定向输运体系,有望成为一种新型的液体定向输运驱动结构。基于上述思路,本文仔细表征了鹅毛纤维等10余种羽毛纤维的结构特征,发现了鹅毛纤维的双重夹角结构,以及由此结构驱动的液体定向输运现象。研究了双重夹角结构在定向输运过程中的作用机制,阐明鹅毛纤维结构的各向异性导致的周期性毛细力是定向输运的根本原因。继而通过机械挤压方法和3D打印技术实现了羽毛双重夹角结构的仿生构建,并对其定向输运行为进行了研究,揭示了结构重合度对定向输运过程的控制作用。该结构的发现将对发展基于新型结构特征实现液体定向输运提供新的研究思路和技术手段,对于促进无动力液体定向输运的研究和应用起到积极作用。本文的主要工作包括以下两个部分:1.鹅毛纤维结构驱动的定向液体输运研究以开封本地的家禽白鹅毛纤维作为实验材料,受多种液体的定向输运现象启发,仔细表征鹅毛纤维的结构,发现了鹅毛纤维上各向异性的双重夹角结构;对定向输运现象进行原位观测,发现了液体的“毛细接力”行为,构建了液体在该结构上定向输运模型,提出了双重夹角协同产生的“毛细接力”实现液体定向输运的概念,并通过计算模拟进行了验证。通过两次复形的方法得到了具有鹅毛纤维结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面,成功的实现液体的定向输运。2.基于双重夹角“毛细接力”式定向输运液体的仿生设计在第二章提出“毛细接力”实现液体定向输运概念的基础上,在第三章中设计了连续三棱锥“槽道”结构,利用“槽道”内部夹角之间的毛细力完成液体的定向输运。使用机械挤压的方法,在聚乙烯(PE)表面构筑该“槽道”结构且成功的实现液体的定向输运。虽然表现出良好的定向输运效果,但是此种方法制备的样品较为粗糙,而且难以对结构参数进行有效调控和量化研究。为了更精确的控制其结构特征,使用3D打印技术制备定向输运结构,并调控了“槽道”的结构参数重合度λ,考察λ对定向输运过程的影响。结果表明:对于某一确定液体,重合度λ越小液体越容易在该结构上实现定向输运,当λ增加至一定程度后定向输运能力消失。
【学位单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ022.1;TP391.73
【部分图文】：

[56]，如此种种都是研究者所面临的问题。然而，以在固体表面收集和输运，都与浸润性有千丝万缕本概念在固体表面接触时，液体可以附着在固体表面或者的一个重要特征，其在日常生活以及工农业生产中利用了油墨在纸张上的浸润行为，钢笔和毛笔能在业领域对金属物品进行喷漆防锈处理，需要液体形，在机械润滑、衣物洗涤、喷洒农药防治病虫等生-65]。本特性是趋向于收缩。究其原因是由于液滴表面分分子受到各个方向上的力相互抵消，因而合力为零盛夏时节，在荷叶上的水滴收缩近乎为一个球（

在固-液-气三相交点做气液界面切线，切线与固液界线之间夹归因于表面张力，由三相界面上液面的弯曲而产生。如中，可观察到玻璃管内的液面高于玻璃管外部的液面。水银），则毛细管内部的液面将低于外部液面如图 1-3 图 1-3 毛细现象示意图。的计算有如下公式[71]：2γ cos θ

与固体的表面自由能与其表面的微观结构有关[66]。意：在固-液-气三相交点做气液界面切线，切线与固液界线之间夹生归因于表面张力，由三相界面上液面的弯曲而产生。水中，可观察到玻璃管内的液面高于玻璃管外部的液面如水银），则毛细管内部的液面将低于外部液面如图 1-3
【参考文献】

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本文编号：2851617