p Superfícies artificiais que podem repelir líquidos têm atraído atenção significativa em plataformas científicas e industriais para criar características topológicas funcionais. Mas o papel das estruturas subjacentes que estão em contato com as gotículas de líquido não é bem compreendido. Desenvolvimentos recentes em micro-nanofabricação podem permitir que os pesquisadores construam um sistema semelhante a pele-músculo que combina repelência de líquido na interface, ao lado de uma estrutura mecanicamente funcional. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Songtao Hu e uma equipe de cientistas interdisciplinares na China, Suíça e Reino Unido, projetou superfícies bioinspiradas com cabeças repelentes semelhantes a cogumelos usando litografia direta a laser tridimensional (3-D). O flexível, em forma de mola oferece suporte à repelência a líquidos elevada, resistindo a formas complexas de quebra de gotículas e reduzindo o tempo de contato da superfície da gota. O uso de suportes flexíveis em forma de mola é uma abordagem de pesquisa de materiais sem precedentes que aprimorou a repelência a líquidos para um excelente controle de superfície e manipulação de gotículas. O trabalho estendeu a pesquisa sobre microestruturas repelentes para produzir possibilidades funcionais, ligando superfícies funcionais com metamateriais mecânicos. p A interação entre gotas de líquido e interfaces sólidas em superfícies repelentes de líquidos artificiais é importante para a autolimpeza, anti-gelo, e tecnologias anti-reflexo e para princípios de coleta de água e manipulação de gotas. Os pesquisadores estão interessados ​​em simular características morfológicas e químicas de superfícies naturais para cumprir o desempenho biomimético em laboratório. Um exemplo clássico é o efeito de lótus, que exibe desempenho de impermeabilização combinando morfologia hierárquica e modificações químicas à base de cera. Para melhorar o efeito de lótus no laboratório, pesquisadores imitaram a topologia inspirada em springtail com semelhantes a cogumelos, cabeças flexíveis no topo de suportes em forma de pilar para manipular o contato das gotas com as superfícies. Nesse trabalho, Hu et al. repelência de líquido aprimorada usando o projeto de microestrutura flexível para preencher a lacuna entre dois conceitos de pesquisa de superfícies funcionais e materiais mecânicos para construir um sistema "semelhante à pele-músculo".

p Design e fabricação

p A superfície superior do construto se comportou como a pele para receber e responder, enquanto os suportes subjacentes desempenhavam o papel do músculo para ajustar as propriedades mecânicas. O trabalho irá abrir uma janela de oportunidade para mais funcionalidades e possibilidades, ligando superfícies funcionais com metamateriais mecânicos. Usando a polimerização de dois fótons, a equipe adaptou estruturas 3-D em micro-nanoescala para realizar o design da mola em forma de cogumelo. Eles modelaram as superfícies flexíveis no SolidWorks primeiro e converteram os projetos em um formato de estereolitografia para fabricação com um fotorresiste em uma sílica fundida revestida com óxido de estanho e índio (ITO). A equipe então revestiu a superfície com deposição de vapor químico para fazer as molas flexíveis se comportarem como pilares rígidos. Hu et al. também suportava uma superfície inspirada em trampolim onde molas verticais suportavam cabeças semelhantes a cogumelos e molas horizontais ligavam as cabeças semelhantes a cogumelos adjacentes para manipular a interface líquido-sólido.

p Prevenindo a quebra de gotículas e observando o desempenho de espalhamento

p As superfícies de pilar-cogumelo / mola-cogumelo apresentaram excelente capacidade anti-penetração em relação às gotas estáticas de água e os materiais mantiveram a hidrofobicidade estrutural (repelência à água) devido ao seu revestimento superficial. A equipe conduziu testes para entender o comportamento de propagação e repercussão de gotículas de água sob diversas velocidades de impacto e denominou suas formas de deposição (DEP), comportamento de recuperação (REB) e fixação (PIN), com um aumento Nós valor (uma relação adimensional adimensional entre as forças inerciais e capilares). Por exemplo, quando a energia impactante aumentou, o comportamento do REB herdou o lugar do DEP para exibir uma resistência cinética efetiva aos eventos de impacto. A equipe então calculou o fator de espalhamento máximo em função de Nós . Os cientistas atribuíram a diferença no fator de espalhamento máximo entre diferentes estruturas de superfície à quebra viscoelástica em materiais macios. Para entender melhor o comportamento de propagação de gotículas impactantes nas microestruturas, Hu et al. estabeleceu um modelo de divulgação teórica, para estimar o trabalho realizado (W) para espalhar até um diâmetro máximo em uma superfície flexível ou rígida.

p Coeficiente de restituição e tempo de contato

p Os cientistas então calcularam o coeficiente de restituição, ou seja, a razão da velocidade relativa entre dois objetos pós-colisão na configuração, para quantificar a energia cinética restante das gotículas após a elevação das superfícies. As transições de deposição / rebote (DEP-REB) em tais superfícies não revelaram a influência da modificação flexível no coeficiente de restituição . Eles discutiram o efeito das modificações de suporte flexível no tempo de contato da gota, que dependia da posição do impacto. Ao imobilizar microestruturas flexíveis em um substrato rígido com estratégias de fabricação eficientes, a equipe superou as deficiências de contato das gotículas.

p Desta maneira, Songtao Hu e seus colegas preencheram a lacuna entre duas áreas de pesquisa de superfícies funcionais e materiais mecânicos para implementar um conceito semelhante ao de pele muscular na engenharia de superfície de materiais. Eles projetaram cabeças à prova d'água bioinspiradas semelhantes a cogumelos sobre suportes flexíveis semelhantes a molas para repelir cineticamente a intrusão de líquidos - adequadas para uma variedade de aplicações. A equipe propôs uma estrutura semelhante a um trampolim para resolver a instabilidade estrutural no contato das gotas. Eles usaram litografia a laser direta 3-D para a fabricação de micro-nano, a fim de replicar com precisão as superfícies flexíveis com repelência de líquido ajustável. Embora a técnica Nanoscribe proposta para litografia a laser 3-D direta de alta precisão ofereça tecnologia de prototipagem rápida, a técnica deve ser otimizada para fabricação em grande escala na prática. As tecnologias de impressão 3-D em evolução fornecerão mais opções para a eficácia de fabricação em escala centimétrica de alto rendimento.

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