列日大學(xué)利用3D打印通過表面張力雕刻出可控液體浮雕景觀

2025年6月19日，南極熊獲悉，比利時(shí)列日大學(xué)（University of Liege）GRASP實(shí)驗(yàn)室與布朗大學(xué)合作，開發(fā)了一種利用3D打印錐形棘狀結(jié)構(gòu)和表面張力來塑造水面的方法。通過精心排列這些結(jié)構(gòu)，研究人員將單個(gè)“彎月面”組合成更大的液體浮雕，使它能夠在重力作用下引導(dǎo)顆粒。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)展示了利用定制的3D打印棘柱結(jié)構(gòu)操控液體界面以實(shí)現(xiàn)對(duì)漂浮物體的三維操控。通過精確設(shè)計(jì)棘柱的幾何形狀，可以在液體表面創(chuàng)建特定的高度梯度，從而引導(dǎo)和控制微小固體或液體顆粒沿著預(yù)定的路徑移動(dòng)。這一創(chuàng)新為微觀顆粒運(yùn)輸、分揀以及海洋污染控制等領(lǐng)域帶來了全新解決方案。

△相關(guān)研究已發(fā)表在《自然通訊》期刊，題目為“用于可編程液體形貌和微操作的3D打印棘柱”（傳送門）

可編程特定液體形貌

毛細(xì)作用是由液體表面張力驅(qū)動(dòng)的自然現(xiàn)象，常在液體邊緣形成微妙的曲率，稱為“彎月面”。如果將多個(gè)彎月面堆疊起來，塑造成復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的液體地形，會(huì)怎樣？研究團(tuán)隊(duì)以此為基礎(chǔ)，首次實(shí)現(xiàn)了多個(gè)彎月面的集成和協(xié)同，通過精密排列的3D打印尖峰陣列，將單個(gè)彎月面“疊加”，進(jìn)而塑造出復(fù)雜且可控的液體浮雕地形。通過調(diào)節(jié)棘狀結(jié)構(gòu)的高度和間距，團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了可編程的液體表面景觀，并以液體形式重現(xiàn)了布魯塞爾地標(biāo)原子球塔。

△面圍繞錐形棘狀結(jié)構(gòu)形成的形狀，展現(xiàn)了液體如何在這些棘狀結(jié)構(gòu)之間彎曲上升

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Megan Delens博士表示：“每個(gè)尖峰都會(huì)在周圍形成獨(dú)特的彎月面。通過精確排列和緊密布局，我們能夠?qū)⑦@些效應(yīng)融合，形成大尺度的動(dòng)態(tài)液體地形�！�

Nicolas Vandewalle教授指出：“這種方法為移動(dòng)和分揀微小漂浮物體（如彈珠、水滴、塑料顆粒等）提供了全新路徑”。本項(xiàng)技術(shù)不僅具有視覺沖擊力，更在功能性應(yīng)用上展現(xiàn)出巨大潛力。借助液體表面的可編程地形，研究人員實(shí)現(xiàn)了無需外部能量輸入的漂浮顆粒自動(dòng)分揀。隨著水面傾斜，物體會(huì)依據(jù)自身質(zhì)量自然分離，實(shí)現(xiàn)高效、被動(dòng)的微觀運(yùn)輸和分類。

△通過單獨(dú)修改每個(gè)棘柱，液體表面不再保持平坦，而是形成了一種“程序化”的液體景觀

總的來說，研究人員利用毛細(xì)管力來精確操控微流體系統(tǒng)中的液體界面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)漂浮物體的精細(xì)控制。這種技術(shù)不依賴于傳統(tǒng)的泵或馬達(dá)等動(dòng)力裝置，而是通過設(shè)計(jì)特定的3D打印棘柱結(jié)構(gòu)來操控液體界面，利用毛細(xì)管彎月面的疊加效應(yīng)。這為微流體技術(shù)、污染控制以及液體機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域開辟了新的可能性，為實(shí)現(xiàn)更高效、更精確的液體操控提供了新的手段。

最后，研究人員的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)液體表面形狀的動(dòng)態(tài)、可編程調(diào)控。展望未來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃引入對(duì)磁場(chǎng)敏感或可變形材料，使尖峰陣列具備動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液體表面的實(shí)時(shí)控制。