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隨著工業(yè)發(fā)展，有機廢水非法排放導(dǎo)致含油污水激增，因此，研發(fā)高效油水分離技術(shù)成為環(huán)保領(lǐng)域的關(guān)鍵難題。傳統(tǒng)方法依賴如磁力、電力驅(qū)動等外部能源驅(qū)動，存在成本高、設(shè)備復(fù)雜等局限。然而，自然界中銀杏葉溝槽和松針錐形等生物結(jié)構(gòu)卻能巧妙利用物理特性實現(xiàn)液滴自驅(qū)動輸運，這一現(xiàn)象為新型分離技術(shù)的研發(fā)提供了創(chuàng)新靈感。

近日，魯東大學(xué)陳雪葉教授團隊受自然界啟發(fā)，將松針的錐形結(jié)構(gòu)與銀杏葉的溝槽結(jié)構(gòu)相結(jié)合，利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)制備了仿生耦合錐梯度溝槽（BCGG），實現(xiàn)油滴在無外部能源下的逆重力自驅(qū)動輸運。該結(jié)構(gòu)通過拉普拉斯壓力與毛細(xì)力協(xié)同作用，實現(xiàn)了油滴的自驅(qū)動、跨界面高效運輸，最大運輸速度達(dá)55.2 mm/s，是傳統(tǒng)錐形結(jié)構(gòu)的11倍，為油水分離領(lǐng)域提供了新的思路和方法。

相關(guān)成果以“Microdroplet self-driven transport on the surface with bionic coupled cone-gradient groove"發(fā)表于國際期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。霍緒堯副教授和2023級研究生陳鑫坤為共同第一作者，陳雪葉教授為通訊作者。

（1）本研究將松針的錐形結(jié)構(gòu)與銀杏葉表面的溝槽結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，設(shè)計了一種新型的仿生錐形-梯度槽耦合表面，具體的設(shè)計理念來源和外觀形貌如圖1a所示，并通過摩方精密nanoArch® P150（精度：25 μm）3D 打印系統(tǒng)打印出BCGG結(jié)構(gòu)。隨后將樣品放入處理好的化學(xué)溶液中浸泡涂覆二氧化硅顆粒，最后放入真空干燥箱中干燥12小時得到最終的樣品（圖1b）。

圖1. BCGG的設(shè)計與制造。(a)仿生錐形梯度槽耦合面的設(shè)計。(b)BCGG的制造過程。

（2）通過測試7°、9°、11°、13°、15° 五種錐角的BCGG逆重力輸油性能，發(fā)現(xiàn)在錐角為11° 時，平均運輸速度最快（21.37 mm/s），因該角度下錐形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉普拉斯壓力與溝槽結(jié)構(gòu)的毛細(xì)力協(xié)同作用最佳，錐角過小或過大均會導(dǎo)致驅(qū)動力不足。同時，傾斜角度對輸運速度有顯著影響，隨傾斜角度從0° 增至30°，油滴運輸速度從44.6 mm/s 降至25.1mm/s，因重力垂直分量增大導(dǎo)致阻力增加。機理分析表明，油滴接觸結(jié)構(gòu)后在毛細(xì)力作用下形成油膜減小阻力，同時拉普拉斯力驅(qū)動油滴逆重力向上，沿梯度溝槽運輸至吸油海綿（圖2）。

圖2. BCGG結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。(a)不同頂角的BCGG示意圖。(b)不同頂角的BCGG在初始時刻將油滴輸送到水下的圖像。(c)實際捕獲的圖像，時間為0.82秒。(d)不同頂角α的BCGG抗重力（2µL）輸送油滴的速度。(e)BCGG輸送油滴的機制圖。(f)不同傾斜角β（α=11）下BCGG輸送油滴的速度。

（3）在固定錐角為11°的情況下，研究溝槽數(shù)量（2-5 個）對輸油性能的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)隨著溝槽數(shù)量增加，使得橫截面積增大、有效長度減小、毛細(xì)力減弱，油滴運輸速度不僅下降，且無溝槽圓錐無法完成運輸。因此，2-BCGG具有最長的有效長度、優(yōu)異的毛細(xì)力性能，從而展現(xiàn)出最佳輸運效率。對于不同體積油滴，2-BCGG對6 µL油滴仍保持9.1 mm/s速度，10 µL油滴可在8.45 s內(nèi)完成運輸，展現(xiàn)了大體積油滴輸運能力。不同傾斜角度下，2-BCGG速度始終優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)，在錐角為30°時，油滴速度是傳統(tǒng)無溝槽錐形結(jié)構(gòu)的11 倍，且連續(xù)五個周期測試顯示其輸運性能穩(wěn)定，重復(fù)性良好。

圖3. BCGG結(jié)構(gòu)參數(shù)及傳輸特性。(a)不同溝槽（2-BCGG、3-BCGG、4-BCGG、5-BCGG和無溝槽錐體）的BCGG實物圖和橫截面。(b)不同溝槽（4µL）的BCGG在重力作用下的向上油滴傳輸速度。(c)不同體積油滴在重力作用下2-BCGG的傳輸速度。(d) 2-BCGG在水下傳輸大體積油滴。(e)不同溝槽的BCGG在不同傾角下的油滴傳輸速度。(f)不同溝槽的BCGG在連續(xù)五個周期內(nèi)水下傳輸油滴的速度。

（4）通過對比2-BCGG、無溝槽圓錐、溝槽圓柱和無溝槽圓柱的輸油性能，揭示BCGG的驅(qū)動機理：2-BCGG的驅(qū)動力為錐形結(jié)構(gòu)的拉普拉斯壓力（FL）和梯度槽的毛細(xì)力（FC），阻力包括重力（FG）、滯后力（FH）和拖曳力（FD），合力（F=FL+FC?FH?FD?FG）使油滴逆重力運輸。無溝槽圓錐僅依賴FL，合力不足導(dǎo)致油滴停滯中途；溝槽圓柱僅靠 FC 形成細(xì)流，速度緩慢；無溝槽圓柱無驅(qū)動力，油滴聚集底部。公式推導(dǎo)和受力分析表明，F(xiàn)L與油滴體積、錐角及表面張力差相關(guān)，F(xiàn)C取決于溝槽幾何和接觸角，兩者協(xié)同作用使2-BCGG具備高效輸運能力。

圖4. 不同結(jié)構(gòu)的傳輸機制對比。(a)2-BCGG過程及水下抗重力油滴傳輸示意圖。(b)無槽錐體水下抗重力油滴傳輸過程圖及示意圖。(c)有槽圓筒水下抗重力油滴傳輸過程圖及示意圖。(d)無槽圓筒水下抗重力油滴傳輸過程圖及示意圖。

（5）BCGG在多相環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異輸油性能：空氣中，2-BCGG可在57.17 s 內(nèi)運輸1 µL油滴，傳統(tǒng)錐形結(jié)構(gòu)無法完成；在液 - 氣跨界面場景中，2-BCGG能將油滴從水下拉至水面并運輸至根部，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)油滴停滯界面。組裝體實驗顯示，隨BCGG數(shù)量從2個增至5個，2 µL和15 µL油滴分離時間分別從0.58 s、0.86 s 降至 0.15 s、0.37 s，接觸面積和溝槽數(shù)的增加提升了油滴分離的效率?；贐CGG設(shè)計的水下自驅(qū)動集油裝置，無需外部能量，可捕獲油滴并輸至吸油海綿，1 小時內(nèi)分離約5 ml 油，適用于石油泄漏收集、有機廢水處理等場景，展現(xiàn)廣闊應(yīng)用前景。

圖5. 2-BCGG的多種應(yīng)用。(a)2-BCGG與未加工錐體在空氣中的油傳輸性能對比。(b)2-BCGG與未加工錐體在液氣界面處的抗重力油傳輸性能對比。(c)油滴在界面處傳輸機制示意圖。(d)不同體積油滴分離時間與2-BCGG組件數(shù)量的關(guān)系。(e)2-BCGG陣列收集微小油滴的示意圖。(f)油水混合物、收集的油、分離出的水、用紅色染色的油。

總結(jié)：

本研究通過仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計與3D打印技術(shù)結(jié)合，開發(fā)了兼具高效傳輸與環(huán)境適應(yīng)性的BCGG表面，為復(fù)雜環(huán)境下的油滴收集提供了新策略。其自驅(qū)動、無能耗的特性在海洋漏油回收、有機廢水處理等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。未來可進(jìn)一步拓展至微流控芯片、生物傳感等場景，推動仿生功能材料的實際應(yīng)用。