近日，西南科大制造過程測試技術教育部重點實驗室微納仿生制造團隊報道了一種針對多相有機液體分離與運輸政策，研究成果以題目為“Ultrafast self-transportation and efficient separation of organic droplets on semi-conical asymmetric structure”發表于實體學科領域國際期刊Applied Physics Letters（Appl. Phys. Lett. 124, 161902, 2024 ）。該期刊由美國實體學會（AIP）出版的國際權威實體學期刊，為82種自然指數期刊之一，該期刊涵蓋了廣泛的實體學領域，包括材料科學、光學、電子學、凝聚态實體、應用實體等。我校青年教師楊益博士和碩士研究所學生鄒秦銳為該成果的共同第一作者，李國強教授為通訊作者。
在工業生産和環境保護的背景下，有機多相液滴的操控和分離一直是一項具有重大意義且富有挑戰性的任務。有機液滴作為潤滑劑、燃料或化工原料在工業生産中發揮着重要作用。傳統的分離方法如萃取法、蒸餾法、色譜法、重結晶法以及膜分離法等已被用于有機混合液體的分離,但這些方法存在的能耗高、化學失效和結構堵塞等缺陷限制了其被廣泛應用。此外，這些傳統方法往往會伴随大量二氧化碳的排放，這與大陸倡導的“碳中和”綠色發展的理念相悖。是以，開發一種高效、低耗且環境友好的有機混合液體綠色分離技術，成為能源開發、環境保護和公共健康等領域面臨的重要挑戰。
針對有機混合液體高效精準分離這一急需解決的難題，研究團隊設計并建構了一種新型的半錐形非對稱結構（SCAS）。這種結構将錐形結構和各向異性的微凹槽結構相結合，展示了對有機液體出色的定向自傳輸性能。研究結果表明，SCAS的最大傳輸速度達到305.6毫米/秒，與傳統錐形結構、帶凹槽的魚刺結構以及圓柱結構相比，SCAS表現出優異的運輸性能，運輸速度是傳統錐形結構的1.8倍。通過建構表面結構參數與液滴運輸速度之間的實體模型，闡明了在耦合液滴表面能差異和流體二極管單向驅動力作用下的混液中各組分的“差速式”輸運和定向輸運的規律，實作了多組分混液中以各組分高效精準分離為例的液滴高性能操控，其分離效率達到了98%。同時，SCAS具有良好的穩定性和持續的運輸性能，在5個周期内（一個周期7天）運輸速率未見明顯下降，該性能使其能夠在實際應用中保持高效連續的液滴運輸。這一發現為以高效精準油水分離為典型代表的高性能液滴操控的廣泛應用提供了支撐。
微納仿生制造團隊一直緻力于将“源于自然，高于自然”的前沿仿生設計理念與先進微納精密制造技術相結合，圍繞能源、環境和健康領域對高性能微滴操控器件攻堅克難，構築政策。近年來，該團隊報道了一系列關于微納制造及應用方面的研究成果，包括基于“模式切換”政策的janus膜（Nat. Commun., 2024, 15, 1443）；具有不對稱孔隙率和減阻特性的高性能馬蘭戈尼水凝膠轉子（Nat. Commun., 2023, 14, 1928）；水準振動模式高性能微滴定向驅動（Adv. Mater., 2020, 32, 2005039）；複雜環境下低表面張力液體的精準高效操控（Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2201035）；飛秒雷射誘導蘑菇頭狀微柱超快自生長（Nano Lett., 2021, 21, 9301-9309）；高性能液滴操控（Nano-Micro Lett., 2022, 14, 97）和高性能液态金屬電磁驅動器（IJEM, 2021, 6, 025503）。
來源：高分子科學前沿