极端制造 ｜ 用于阶梯提升仿蒸腾作用的仿生微通道

　　钻石开放获取，免收版面费

　　

　　

　　作者

　　Zhaolong Wang1*, Qiu Yin2, Ziheng Zhan1, Wenhao Li1, Mingzhu Xie1, Huigao Duan1,Ping Cheng2, Ce Zhang3, Yongping Chen4,5*, Zhichao Dong6*

　　单位

　　1.湖南大学机械与运载工程学院

　　2.上海交通大学机械工程学院动力机械与工程教育部重点实验室

　　3.中国空间技术研究院钱学森空间技术研究室

　　4.苏州科技大学环境科学与工程学院微纳热流技术与能源应用重点实验室

　　5.东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室

　　6.中科院仿生材料与界面科学重点实验室

　　作者

　　Wang Z L, Yin Q, Zhan Z H, Li W H, Xie M Z, Duan H G, Cheng P, Zhang C, Chen Y P, Dong Z C et al. 2023. Bionic microchannels for step lifting transpiration. Int. J. Extrem. Manuf.5025502.

　　阅读全文

　　https://doi.org/10.1088/2631-7990/acbcff

　　撰稿 | 文章作者

　　近期，由湖南大学王兆龙副教授，上海交通大学郑平院士，东南大学陈永平教授和中科院理化所董智超研究员组成的联合团队在《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表题为《Bionic microchannels for step lifting transpiration》的研究文章。研究人员设计了用于仿蒸腾作用的低碳功能器件用于清洁水生产，并采用实验和数值计算方法研究了任意截面形状仿生微通道尖角引起的强前驱效应。最重要的是该团队使用基于微立体光刻3D打印技术首次实现了任意截面、极小尺寸仿生微流控器件的亚十微米精度极端制造。

　　极端制造；仿生微通道；反重力输运

　　亮点：

　　极高精度异形仿生微通道精准加工。

　　异形结构毛细尺度微流控性能研究。

　　长距离无动力液体输运及台阶提升。

　　

　　图1 仿生异形微通道加工及液体输运能力。

　　自然界的树木可以将液体从地下根部输运到100多米高的叶片，展现出了非凡的无动力水体输运能力。然而，具有长距离液体输运能力的微通道结构的设计与加工仍是阻碍微流控器件发展的一大挑战。因此，本项工作受到自然界树木内部通道结构的启发，利用面投影微立体光刻技术加工出具有任意横截面的仿生微通道。通过构建不同形状（五边形、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,利用毛细通道尖角极强的边界效应，实现了极强的微流体输运能力（图1）。同时，我们也对不同形状、不同直径、不同倾角的仿生微通道的输液能力进行了仿真计算与实验验证，具体结果如图2所示。实验发现，随着微通道直径的增大，液体的输运高度会逐渐降低，五角星形的毛细通道因为其尖角处独特的边界前驱效应，输液能力是所有形状中最强的，并且随着五角星形状倾角的减小使得输液能力进一步提升。

　　

　　图2仿生微通道输液能力仿真计算与实验验证。

　　同时，团队还实现了基于仿植物蒸腾作用的微通道台阶提升与清洁水生产的功能器件应用展示。如图3所示，通过加工一系列具有平行仿生微通道的阶梯结构，基于异形微通道极强的毛细输运能力可以实现液体从台阶底部向顶部的逐阶提升。同时，通过在台阶装置顶部进行太阳光照射，可以进行毛细力驱动的太阳能水蒸发，单根直径400 μm的微通道的最大蒸发速率可以达到500 mg/h，证明了仿生异形微通道优秀的液体输运与太阳能水蒸发能力。这些低成本、高性能的极高精度仿生微通道有望在微流控散热、细胞培养、长距离液体输运、清洁水生产等方面得到广泛应用。

　　

　　图3仿生微通道台阶提升及太阳能水蒸发应用

　　作者简介

　　

　　王兆龙副教授

　　单位:湖南大学

　　zhaolongwang@hnu.edu.cn

　　湖南大学机械与运载工程学院副教授/博士生导师，湖南省优秀青年基金获得者，湖南大学低碳技术与装备交叉研究中心主任，中国工程热物理学会传热传质分会青年委员，中国机械工程协会极端制造分会委员。2018年于上海交通大学获得博士学位，曾先后在洛桑联邦理工学院，中国空间技术研究院及佐治亚理工学院从事科研工作。先后主持、参与国家自然科学青年基金，湖南省优秀青年基金，国家自然科学基金重点国际合作项目及广东省重点研发计划在内的多项重大基金。主要从事低碳功能器件，纳米光子学，微纳尺度导热及微尺度3D打印相关研究。已发表SCI收录学术论文四十余篇，合作英文专著一部，申请、授权发明专利30余项。担任Int. J. Extrem. Manufact.及湖南大学学报青年编委等。

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　　《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）是极端制造领域的首本国际期刊，致力于发表极端制造相关领域的高质量最新研究成果，文章形式主要为原创性和综述性文章。目前该刊共设四大栏目：材料与能场相互作用、工艺方法、极端功能材料/结构/器件、测量与系统。IJEM现已被SCI、EI、Scopus、CNKI等数据库收录。影响因子10.036(Q1)。中科院分区工程技术1区，TOP期刊。同时入选“中国最具国际影响力学术期刊”（TOP 5%）。钻石开放获取，免收作者版面费，双匿评审。

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　　撰稿：作者 编辑：姚玥 审核：关利超