Les surfaces artificielles capables de repousser les liquides ont attiré une attention considérable sur les plateformes scientifiques et industrielles pour créer des caractéristiques topologiques fonctionnelles. Mais le rôle des structures sous-jacentes qui sont en contact avec les gouttelettes liquides n'est pas bien compris. Les développements récents de la micro-nanofabrication peuvent permettre aux chercheurs de construire un système de type peau-muscle qui combine la répulsion des liquides à l'interface, à côté d'une structure mécaniquement fonctionnelle. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Avancées scientifiques , Songtao Hu et une équipe de scientifiques interdisciplinaires en Chine, la Suisse et le Royaume-Uni, conçu des surfaces bio-inspirées avec des têtes répulsives en forme de champignon en utilisant la lithographie laser directe en trois dimensions (3-D). Le souple, Ressort prend en charge la répulsion des liquides élevée en résistant aux formes complexes de décomposition des gouttelettes et en réduisant le temps de contact entre les gouttelettes et la surface. L'utilisation de supports flexibles en forme de ressort est une approche de recherche de matériaux sans précédent qui a amélioré la répulsion des liquides pour un excellent contrôle de surface et une manipulation des gouttelettes. Les travaux ont étendu la recherche sur les microstructures répulsives pour offrir des possibilités fonctionnelles en liant des surfaces fonctionnelles à des métamatériaux mécaniques.

L'interaction entre les gouttelettes liquides et les interfaces solides sur les surfaces artificielles hydrofuges est importante pour l'autonettoyage, antigivrage, et les technologies antireflet et pour les principes de collecte de l'eau et de manipulation des gouttelettes. Les chercheurs s'intéressent à l'imitation des caractéristiques morphologiques et chimiques des surfaces naturelles pour obtenir des performances biomimétiques en laboratoire. Un exemple classique est l'effet lotus, qui présente des performances d'étanchéité en combinant une morphologie hiérarchique et des modifications chimiques à base de cire. Pour améliorer l'effet lotus en laboratoire, les chercheurs ont imité une topologie inspirée du collembole avec têtes flexibles sur des supports en forme de pilier pour manipuler le contact des gouttelettes avec les surfaces. Dans ce travail, Hu et al. une répulsion améliorée des liquides en utilisant la conception de la microstructure flexible pour combler le fossé entre deux concepts de recherche de surfaces fonctionnelles et de matériaux mécaniques pour construire un système "peau-muscle".

Conception et fabrication

La surface supérieure de la construction se comportait comme la peau pour recevoir et répondre, tandis que les supports sous-jacents ont joué le rôle musculaire pour régler les propriétés mécaniques. Le travail déclenchera une fenêtre d'opportunité pour plus de fonctionnalités et de possibilités en liant des surfaces fonctionnelles avec des métamatériaux mécaniques. En utilisant la polymérisation à deux photons, l'équipe a adapté des structures 3D à l'échelle micronano pour réaliser la conception champignon-ressort. Ils ont d'abord modélisé les surfaces flexibles dans SolidWorks et converti les conceptions en un format de stéréolithographie pour la fabrication avec une résine photosensible sur une silice fondue recouverte d'oxyde d'indium et d'étain (ITO). L'équipe a ensuite recouvert la surface d'un dépôt chimique en phase vapeur pour que les ressorts flexibles se comportent comme des piliers rigides. Hu et al. a également soutenu une surface inspirée du trampoline où des ressorts verticaux soutenaient des têtes en forme de champignon et des ressorts horizontaux reliaient les têtes en forme de champignon adjacentes pour manipuler l'interface liquide-solide.

Les surfaces champignon-pilier/champignon-ressort ont montré une excellente capacité anti-pénétrante vis-à-vis des gouttelettes d'eau statiques et les matériaux ont conservé une hydrophobie structurelle (hydrofuge) en raison de leur revêtement de surface. L'équipe a mené des tests pour comprendre le comportement de propagation et de rebond des gouttelettes d'eau sous diverses vitesses d'impact et a nommé leurs formes comme dépôt (DEP), comportement de rebond (REB) et d'épinglage (PIN), avec une augmentation Nous valeur (un rapport sans dimension entre les forces d'inertie et capillaires). Par exemple, lorsque l'énergie d'impact a augmenté, le comportement du REB a hérité de la place du DEP pour présenter une résistance cinétique efficace aux événements d'impact. L'équipe a ensuite calculé le facteur d'étalement maximal en fonction de Nous . Les scientifiques ont attribué la différence du facteur d'étalement maximal entre les différentes structures de surface à la rupture viscoélastique dans les matériaux mous. Pour mieux comprendre le comportement de propagation des gouttelettes impactantes sur les microstructures, Hu et al. établi un modèle d'étalement théorique, estimer le travail effectué (W) à étaler au diamètre maximum sur une surface souple ou rigide.

Les scientifiques ont ensuite calculé le coefficient de restitution, c'est à dire., le rapport de vitesse relative entre deux objets post-collision dans la configuration, pour quantifier l'énergie cinétique restante des gouttelettes après décollement des surfaces. Les transitions dépôt/rebond (DEP-REB) sur de telles surfaces n'ont pas révélé l'influence de la modification flexible sur le coefficient de restitution . Ils ont discuté de l'effet des modifications du support flexible sur le temps de contact de la gouttelette, qui dépend de la position de l'impact. En immobilisant des microstructures flexibles sur un substrat rigide avec des stratégies de fabrication efficaces, l'équipe a surmonté les lacunes du contact des gouttelettes.

De cette façon, Songtao Hu et ses collègues ont comblé le fossé entre deux domaines de recherche des surfaces fonctionnelles et des matériaux mécaniques pour mettre en œuvre un concept de type peau-muscle dans l'ingénierie des surfaces des matériaux. Ils ont conçu des têtes imperméables en forme de champignon bio-inspirées sur des supports flexibles en forme de ressort pour repousser cinétiquement l'intrusion de liquide, adaptées à une variété d'applications. L'équipe a proposé une structure avancée semblable à un trampoline pour résoudre l'instabilité structurelle au contact des gouttelettes. Ils ont utilisé la lithographie laser directe 3D pour la fabrication de micro-nano afin de reproduire avec précision les surfaces flexibles avec une répulsion des liquides réglable. Alors que la technique Nanoscribe proposée pour la lithographie laser directe 3D de haute précision offre une technologie de prototypage rapide, la technique doit être optimisée pour une fabrication à grande échelle dans la pratique. Les technologies d'impression 3D en évolution offriront davantage d'options pour une efficacité de fabrication à haut débit à l'échelle centimétrique.

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