液體的定向輸運廣泛存在于自然界中,其在油水分離、藥物輸送、霧水收集以及微流控芯片等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。人們發(fā)現(xiàn)“梯度”在定向輸運過程中發(fā)揮著極其重要的作用,發(fā)展了基于熱梯度、光梯度、化學(xué)梯度和結(jié)構(gòu)梯度的策略驅(qū)動液體定向的輸運,并在諸多領(lǐng)域中實現(xiàn)了應(yīng)用。但基于熱梯度、光梯度的定向輸運過程需要外部能量輸入,基于化學(xué)梯度的定向輸運過程在時效性存在一定問題,而結(jié)構(gòu)驅(qū)動則主要依靠其固有的結(jié)構(gòu)不對稱性實現(xiàn)液體的定向輸運,一方面不需要外部能量輸入,同時可以長時間保持定向輸運能力,是一種優(yōu)越的無動力定向輸運策略。現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)梯度設(shè)計靈感主要來自于仙人掌錐形針刺結(jié)構(gòu)和蜘蛛絲周期性紡錘結(jié)構(gòu)模型。然而在仙人掌錐形針刺結(jié)構(gòu)中,隨著錐體延長,拉普拉斯壓差將會由于液體難以包裹直徑逐漸增大的錐體而喪失,定向輸運便難以為繼。在蜘蛛絲結(jié)構(gòu)中,液滴無法跨越紡錘結(jié)構(gòu)自身進行輸運,難以實現(xiàn)長距離的定向輸運�？朔F形針刺結(jié)構(gòu)模型和周期性紡錘結(jié)構(gòu)模型在輸運距離上的不足,構(gòu)建基于新結(jié)構(gòu)模型驅(qū)動的定向液體輸運體系,實現(xiàn)長距離無動力結(jié)構(gòu)驅(qū)動液體定向輸運,是發(fā)展結(jié)構(gòu)梯度驅(qū)動液體定向輸運策略的關(guān)鍵。羽毛纖維中存在著明顯的不對稱性,將這種不對稱性結(jié)構(gòu)引入液體定向輸運體系,有望成為一種新型的液體定向輸運驅(qū)動結(jié)構(gòu)�；谏鲜鏊悸�,本文仔細表征了鵝毛纖維等10余種羽毛纖維的結(jié)構(gòu)特征,發(fā)現(xiàn)了鵝毛纖維的雙重夾角結(jié)構(gòu),以及由此結(jié)構(gòu)驅(qū)動的液體定向輸運現(xiàn)象。研究了雙重夾角結(jié)構(gòu)在定向輸運過程中的作用機制,闡明鵝毛纖維結(jié)構(gòu)的各向異性導(dǎo)致的周期性毛細力是定向輸運的根本原因。繼而通過機械擠壓方法和3D打印技術(shù)實現(xiàn)了羽毛雙重夾角結(jié)構(gòu)的仿生構(gòu)建,并對其定向輸運行為進行了研究,揭示了結(jié)構(gòu)重合度對定向輸運過程的控制作用。該結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)將對發(fā)展基于新型結(jié)構(gòu)特征實現(xiàn)液體定向輸運提供新的研究思路和技術(shù)手段,對于促進無動力液體定向輸運的研究和應(yīng)用起到積極作用。本文的主要工作包括以下兩個部分:1.鵝毛纖維結(jié)構(gòu)驅(qū)動的定向液體輸運研究以開封本地的家禽白鵝毛纖維作為實驗材料,受多種液體的定向輸運現(xiàn)象啟發(fā),仔細表征鵝毛纖維的結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)了鵝毛纖維上各向異性的雙重夾角結(jié)構(gòu);對定向輸運現(xiàn)象進行原位觀測,發(fā)現(xiàn)了液體的“毛細接力”行為,構(gòu)建了液體在該結(jié)構(gòu)上定向輸運模型,提出了雙重夾角協(xié)同產(chǎn)生的“毛細接力”實現(xiàn)液體定向輸運的概念,并通過計算模擬進行了驗證。通過兩次復(fù)形的方法得到了具有鵝毛纖維結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面,成功的實現(xiàn)液體的定向輸運。2.基于雙重夾角“毛細接力”式定向輸運液體的仿生設(shè)計在第二章提出“毛細接力”實現(xiàn)液體定向輸運概念的基礎(chǔ)上,在第三章中設(shè)計了連續(xù)三棱錐“槽道”結(jié)構(gòu),利用“槽道”內(nèi)部夾角之間的毛細力完成液體的定向輸運。使用機械擠壓的方法,在聚乙烯(PE)表面構(gòu)筑該“槽道”結(jié)構(gòu)且成功的實現(xiàn)液體的定向輸運。雖然表現(xiàn)出良好的定向輸運效果,但是此種方法制備的樣品較為粗糙,而且難以對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行有效調(diào)控和量化研究。為了更精確的控制其結(jié)構(gòu)特征,使用3D打印技術(shù)制備定向輸運結(jié)構(gòu),并調(diào)控了“槽道”的結(jié)構(gòu)參數(shù)重合度λ,考察λ對定向輸運過程的影響。結(jié)果表明:對于某一確定液體,重合度λ越小液體越容易在該結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)定向輸運,當(dāng)λ增加至一定程度后定向輸運能力消失。
【學(xué)位單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ022.1;TP391.73
【部分圖文】：

[56]，如此種種都是研究者所面臨的問題。然而，以在固體表面收集和輸運，都與浸潤性有千絲萬縷本概念在固體表面接觸時，液體可以附著在固體表面或者的一個重要特征，其在日常生活以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中利用了油墨在紙張上的浸潤行為，鋼筆和毛筆能在業(yè)領(lǐng)域?qū)饘傥锲愤M行噴漆防銹處理，需要液體形，在機械潤滑、衣物洗滌、噴灑農(nóng)藥防治病蟲等生-65]。本特性是趨向于收縮。究其原因是由于液滴表面分分子受到各個方向上的力相互抵消，因而合力為零盛夏時節(jié)，在荷葉上的水滴收縮近乎為一個球（

在固-液-氣三相交點做氣液界面切線，切線與固液界線之間夾歸因于表面張力，由三相界面上液面的彎曲而產(chǎn)生。如中，可觀察到玻璃管內(nèi)的液面高于玻璃管外部的液面。水銀），則毛細管內(nèi)部的液面將低于外部液面如圖 1-3 圖 1-3 毛細現(xiàn)象示意圖。的計算有如下公式[71]：2γ cos θ

與固體的表面自由能與其表面的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)[66]。意：在固-液-氣三相交點做氣液界面切線，切線與固液界線之間夾生歸因于表面張力，由三相界面上液面的彎曲而產(chǎn)生。水中，可觀察到玻璃管內(nèi)的液面高于玻璃管外部的液面如水銀），則毛細管內(nèi)部的液面將低于外部液面如圖 1-3
【參考文獻】

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本文編號：2851617