Le superfici artificiali in grado di respingere i liquidi hanno attirato un'attenzione significativa su piattaforme scientifiche e industriali per creare caratteristiche topologiche funzionali. Ma il ruolo delle strutture sottostanti che sono in contatto con le goccioline liquide non è ben compreso. I recenti sviluppi nella micro-nanofabbricazione possono consentire ai ricercatori di costruire un sistema pelle-muscolo che combina la repellenza ai liquidi all'interfaccia, accanto a una struttura meccanicamente funzionale. In un nuovo rapporto ora pubblicato in Progressi scientifici , Songtao Hu e un team di scienziati interdisciplinari in Cina, Svizzera e Regno Unito, superfici bioispirate progettate con teste repellenti a forma di fungo utilizzando litografia laser diretta tridimensionale (3-D). Il flessibile, la molla supporta un'elevata repellenza ai liquidi resistendo a forme complesse di rottura delle goccioline e riducendo il tempo di contatto delle goccioline con la superficie. L'uso di supporti flessibili a molla è un approccio di ricerca sui materiali senza precedenti che ha migliorato la repellenza ai liquidi per un eccellente controllo della superficie e manipolazione delle gocce. Il lavoro ha esteso la ricerca sulle microstrutture repellenti per fornire possibilità funzionali collegando superfici funzionali con metamateriali meccanici.

L'interazione tra goccioline liquide e interfacce solide su superfici artificiali idrorepellenti è importante per l'autopulizia, antigelo, e tecnologie antiriflesso e per i principi della raccolta dell'acqua e della manipolazione delle gocce. I ricercatori sono interessati a imitare le caratteristiche morfologiche e chimiche delle superfici naturali per ottenere prestazioni biomimetiche in laboratorio. Un classico esempio è l'effetto loto, che esibisce prestazioni di impermeabilità combinando morfologia gerarchica e modificazioni chimiche a base di cera. Per migliorare l'effetto loto in laboratorio, i ricercatori hanno imitato la topologia ispirata al collembolo con testine flessibili in cima a supporti simili a pilastri per manipolare il contatto delle gocce con le superfici. In questo lavoro, Hu et al. maggiore repellenza ai liquidi utilizzando il design flessibile della microstruttura per colmare il divario tra due concetti di ricerca di superfici funzionali e materiali meccanici per costruire un sistema "pelle-muscolo".

Progettazione e fabbricazione

La superficie superiore del costrutto si comportava come la pelle per ricevere e rispondere, mentre i supporti sottostanti hanno svolto il ruolo muscolare per regolare le proprietà meccaniche. Il lavoro attiverà una finestra di opportunità per maggiori funzionalità e possibilità collegando superfici funzionali con metamateriali meccanici. Utilizzando la polimerizzazione a due fotoni, il team ha adattato strutture 3D su micro-nanoscala per realizzare il design a fungo-molla. Hanno prima modellato le superfici flessibili in SolidWorks e convertito i progetti in un formato stereolitografia per la fabbricazione con un fotoresist su una silice fusa rivestita di ossido di indio e stagno (ITO). Il team ha quindi rivestito la superficie con deposizione chimica da vapore per far sì che le molle flessibili si comportassero come pilastri rigidi. Hu et al. supportava anche una superficie ispirata al trampolino in cui le molle verticali sostenevano le teste a fungo e le molle orizzontali collegavano le teste a fungo adiacenti per manipolare l'interfaccia liquido-solido.

Le superfici fungo-pilastro/fungo-molla hanno mostrato un'ottima capacità antipenetrante verso le gocce d'acqua statiche ed i materiali hanno mantenuto l'idrofobicità strutturale (idrorepellenza) grazie al loro rivestimento superficiale. Il team ha condotto test per comprendere il comportamento di diffusione e rimbalzo delle gocce d'acqua a diverse velocità di impatto e ha chiamato le loro forme come deposito (DEP), comportamento di rimbalzo (REB) e pinning (PIN), con un aumento Noi valore (un rapporto adimensionale tra forze inerziali e forze capillari). Ad esempio, quando l'energia d'impatto aumenta, il comportamento REB ha ereditato il posto di DEP per esibire un'efficace resistenza cinetica agli eventi di impatto. Il team ha quindi calcolato il fattore di diffusione massimo in funzione di Noi . Gli scienziati hanno attribuito la differenza nel fattore di diffusione massimo tra le diverse strutture superficiali alla rottura viscoelastica nei materiali morbidi. Per comprendere ulteriormente il comportamento di diffusione delle goccioline che impattano sulle microstrutture, Hu et al. stabilito un modello teorico di diffusione, stimare il lavoro svolto (W) da stendere al massimo diametro su una superficie flessibile o rigida.

Gli scienziati hanno quindi calcolato il coefficiente di restituzione, cioè., il rapporto di velocità relativa tra due oggetti dopo la collisione nel setup, quantificare l'energia cinetica residua delle goccioline dopo il sollevamento dalle superfici. Le transizioni deposizione/rimbalzo (DEP-REB) su tali superfici non hanno rivelato l'influenza della modifica flessibile sul coefficiente di restituzione . Hanno discusso l'effetto delle modifiche del supporto flessibile sul tempo di contatto della gocciolina, che dipendeva dalla posizione dell'impatto. Immobilizzando le microstrutture flessibili su un substrato rigido con strategie di fabbricazione efficienti, il team ha superato le carenze del contatto delle goccioline.

In questo modo, Songtao Hu e colleghi hanno colmato il divario tra due aree di ricerca delle superfici funzionali e dei materiali meccanici per implementare un concetto simile ai muscoli della pelle nell'ingegneria delle superfici dei materiali. Hanno progettato teste impermeabili a forma di fungo bioispirate sopra a supporti flessibili a molla per respingere cineticamente l'intrusione di liquidi, adatte per una varietà di applicazioni. Il team ha proposto una struttura avanzata simile a un trampolino per risolvere l'instabilità strutturale al contatto con le gocce. Hanno utilizzato la litografia laser diretta 3D per la fabbricazione micro-nano al fine di replicare con precisione le superfici flessibili con una repellenza ai liquidi regolabile. Mentre la tecnica Nanoscribe proposta per la litografia laser diretta 3D ad alta precisione offre una tecnologia di prototipazione rapida, la tecnica deve essere ottimizzata per la fabbricazione su larga scala nella pratica. Le tecnologie di stampa 3D in evoluzione forniranno più opzioni per l'efficacia della fabbricazione su scala centimetrica ad alta produttività.

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