用于阶梯提升仿蒸腾作用的仿生微通道

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1. 文章导读

近期，由湖南大学王兆龙副教授，上海交通大学郑平院士，东南大学陈永平教授和中科院理化所董智超研究员组成的联合团队在《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表题为《Bionic microchannels for step lifting transpiration》的研究文章。研究人员设计了用于仿蒸腾作用的低碳功能器件用于清洁水生产，并采用实验和数值计算方法研究了任意截面形状仿生微通道尖角引起的强前驱效应。最重要的是该团队使用基于微立体光刻3D打印技术首次实现了任意截面、极小尺寸仿生微流控器件的亚十微米精度极端制造。

亮点：
● 极高精度异形仿生微通道精准加工。● 异形结构毛细尺度微流控性能研究● 长距离无动力液体输运及台阶提升。

图1 仿生异形微通道加工及液体输运能力。

自然界的树木可以将液体从地下根部输运到100多米高的叶片，展现出了非凡的无动力水体输运能力。然而，具有长距离液体输运能力的微通道结构的设计与加工仍是阻碍微流控器件发展的一大挑战。因此，本项工作受到自然界树木内部通道结构的启发，利用面投影微立体光刻技术加工出具有任意横截面的仿生微通道。通过构建不同形状（五边形、正方形、三角形和五角星形）及不同尺寸（200-900 μm）的仿生微通道,利用毛细通道尖角极强的边界效应，实现了极强的微流体输运能力（图1）。同时，我们也对不同形状、不同直径、不同倾角的仿生微通道的输液能力进行了仿真计算与实验验证，具体结果如图2所示。实验发现，随着微通道直径的增大，液体的输运高度会逐渐降低，五角星形的毛细通道因为其尖角处独特的边界前驱效应，输液能力是所有形状中最强的，并且随着五角星形状倾角的减小使得输液能力进一步提升。

图2 仿生微通道输液能力仿真计算与实验验证。

同时，团队还实现了基于仿植物蒸腾作用的微通道台阶提升与清洁水生产的功能器件应用展示。如图3所示，通过加工一系列具有平行仿生微通道的阶梯结构，基于异形微通道极强的毛细输运能力可以实现液体从台阶底部向顶部的逐阶提升。同时，通过在台阶装置顶部进行太阳光照射，可以进行毛细力驱动的太阳能水蒸发，单根直径400 µm的微通道的最大蒸发速率可以达到500 mg/h，证明了仿生异形微通道优秀的液体输运与太阳能水蒸发能力。这些低成本、高性能的极高精度仿生微通道有望在微流控散热、细胞培养、长距离液体输运、清洁水生产等方面得到广泛应用。

图3 仿生微通道台阶提升及太阳能水蒸发应用。