平/曲面微坑阵列基底的激光微纳制备及其微滴操控效应研究

作     者：崔泽航 

作者单位：西南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李国强

授予年度：2021年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：超快激光 仿生基底 液滴合并弹跳 表面能筛选 微滴分离 

摘      要：本文将前沿仿生理念与先进激光微纳精密制造技术有机结合,探索激光精密制备平/曲面微滴操控功能基底及其微纳结构的成形机制,分别研究平面与锥形曲面基底对微液滴的动态操控力学过程。基于微滴操控平/曲面基底的精密制备,理论分析与实验对照并行开展研究工作,本课题包括以下几个方面:针对当前超疏水表面微液滴冷凝去除基底的高粘附属性与日益增长的高效自清洁需求之间的矛盾,基于微滴合并释放能量转化为势能驱动液滴的弹跳运动与表面微纳结构间的理论关系,开展平面基底微滴冷凝诱导高效弹跳自去除研究。以激光直写技术为手段,制备微坑阵列超疏水低粘附微滴操控平面基底(水滴接触角165°,滚动角为0.6°),用于蒸汽的快速冷凝及高效去除,重点探索微坑阵列作用下微滴的生长合并机制,进行微滴合并诱导弹跳行为力学过程分析与表面微坑阵列结构优化设计,阐述微坑平面基底的低粘附等性能与微滴自去除效率间的数据关系。该研究推动了微滴操控平面基底在自清洁等领域的发展,为微纳米多功能结构表面的开发提供解决思路。针对低表面能微液滴难以定向传输与筛选收集等难题,受鱼刺空气中定向输油功能启发,结合精密3D打印增材制造与激光直写微纳技术,制备锥刺状曲面微滴操控基底(仿生鱼刺液体分流器),实现特定表面能范围内(15-48 m N m)液体的选择性超快定向传输,速率可达265.3 mm s,可传输表面能范围内,表面能越低,输送速度越快。基于各表面能液滴的运输速度差,通过提取表面能较低的成分,实现不同表面能混合有机微滴的分离提纯。重点研究仿生结构几何参数与传输性能之间的关系,对锥度、微坑密度等参数进行优化,通过运输速率、运输油滴的种类以及传输效率等对比鱼刺本身与其仿生结构的定向运输性能,制备多锥刺组装式液体分流器,实现仿生器件规模化。仿生分流器的制备为低表面能油滴的高效定向输送处理开辟新的途径,推动微滴操控面向微乳液分离、生化检测等实际应用的快速发展。