使用摩方精密微立體光刻3D打印技術開發(fā)用于階梯提升仿蒸騰作用的仿生微通道

來源：極端制造 IJEM

由湖南大學王兆龍副教授，上海交通大學鄭平院士，東南大學陳永平教授和中科院理化所董智超研究員組成的聯合團隊在《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發(fā)表題為《Bionic microchannels for step lifting transpiration》的研究文章。研究人員設計了用于仿蒸騰作用的低碳功能器件用于清潔水生產，并采用實驗和數值計算方法研究了任意截面形狀仿生微通道尖角引起的強前驅效應。最重要的是該團隊使用基于微立體光刻3D打印技術（nanoArch P140，摩方精密）首次實現了任意截面、極小尺寸仿生微流控器件的亞十微米精度極端制造。

圖1 仿生異形微通道加工及液體輸運能力。

自然界的樹木可以將液體從地下根部輸運到100多米高的葉片，展現出了非凡的無動力水體輸運能力。然而，具有長距離液體輸運能力的微通道結構的設計與加工仍是阻礙微流控器件發(fā)展的一大挑戰(zhàn)。因此，本項工作受到自然界樹木內部通道結構的啟發(fā)，利用面投影微立體光刻技術加工出具有任意橫截面的仿生微通道。通過構建不同形狀（五邊形、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,利用毛細通道尖角極強的邊界效應，實現了極強的微流體輸運能力（圖1）。同時，我們也對不同形狀、不同直徑、不同傾角的仿生微通道的輸液能力進行了仿真計算與實驗驗證，具體結果如圖2所示。實驗發(fā)現，隨著微通道直徑的增大，液體的輸運高度會逐漸降低，五角星形的毛細通道因為其尖角處獨特的邊界前驅效應，輸液能力是所有形狀中最強的，并且隨著五角星形狀傾角的減小使得輸液能力進一步提升。

圖2 仿生微通道輸液能力仿真計算與實驗驗證。

同時，團隊還實現了基于仿植物蒸騰作用的微通道臺階提升與清潔水生產的功能器件應用展示。如圖3所示，通過加工一系列具有平行仿生微通道的階梯結構，基于異形微通道極強的毛細輸運能力可以實現液體從臺階底部向頂部的逐階提升。同時，通過在臺階裝置頂部進行太陽光照射，可以進行毛細力驅動的太陽能水蒸發(fā)，單根直徑400 μm的微通道的最大蒸發(fā)速率可以達到500 mg/h，證明了仿生異形微通道優(yōu)秀的液體輸運與太陽能水蒸發(fā)能力。這些低成本、高性能的極高精度仿生微通道有望在微流控散熱、細胞培養(yǎng)、長距離液體輸運、清潔水生產等方面得到廣泛應用。

圖3 仿生微通道臺階提升及太陽能水蒸發(fā)應用

DOI 10.1088/2631-7990/acbcff