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3D打印制备仿生仙人掌结构用于高效收集水

文章出处:3d打印机点击次数:编辑:4008com云顶集团
       随着经济的发展和人口的增加,水资源缺乏问题日益明显。如何高效地从自然环境中收集水受到越来越多的关注。自然界的许多动植物可以在干旱的环境下生存, 这是由于随着长时间的进化它们已经产生了高效地收集水的机制。这些生物体的结构特性给大家提供了很多水收集设备的设计灵感,而引起人们广泛的研究兴趣。比如说戈壁甲虫崎岖不平的背部长着独特的凸起结构,该结构可以方便快速地从稀薄而潮湿的空气中凝结水滴。蜘蛛网借助特殊的周期性纺锤节产生表面能量梯度,使得水能够在节点周围不断地凝结。 

       众所周知仙人掌可以在很炎热干燥恶劣的环境下生存。这是因为仙人掌叶片上有规律排列的刺具有凝结和运输水的功能。仙人掌的刺是具有一定的特殊角度,湿润的空气可以在刺的顶端处凝结成液滴, 并且顺着刺的表面快速地流到仙人掌的叶面,从而保证了仙人掌生长充足的水的供应。而受到仙人掌刺的启发,南加州大学Yong Chen教授课题组结合仙人掌刺的特性设计出一种高性能收集水的仿生材料。该材料不仅可以多次重复使用,同时相比于其他材料可以在单位面积内收集和运输更多的水滴。传统的仿生仙人掌结构只能使用模板法制备单根的刺状结构用于收集水,而本方法采用3D打印,可以设计不同根数的刺结构形成团簇,从而比单根的刺具有更高的收集水的效。进一步的,采用3D打印的方法易于设计不同的团簇排列结构,并通过Comsol Multiphysics模拟的方法来研究其对气流的收集水效率的的影响。论文以3D-Printed Cactus-Inspired Spine Structures for Highly Efficient Water Collection 为题,发表在《先进材料界面》期刊,并被选为Front Cover (图一), 亚利桑那州立大学航空机械工程系助理教授Xiangjia Li为第一编辑。 编辑还包括圣地亚哥州立大学机械工程系助理教授 Yang Yang.


图1. Advanced Materials Interface Front Cover
 
       在这项工作中,为了加工出传统制造技术很难仿造的仙人掌上的一簇一簇的刺,该课题组采用‘沉浸表面累积三维打印工艺’(Immersed surface accumulation based 3D Printing),成功地制造出了仿生仙人掌叶片上簇状的针型微结构(图二c)。在加工过程中,光固化树脂被选择性的曝光从而形成特定的仿生仙人掌簇状的针型微结构 。结果表明,3D打印的仙人掌刺微结构有助于水滴的凝结和运输(图二d)。通过改变3D打印的仙人掌刺微结构的表面的疏水性能可以进一步增加水滴凝结的速率。该研究发现仿生仙人掌刺当其夹角达到10度时可以在兼顾力学性能的情况下实现最快的水滴运输。得益于该3D打印的制造能力,不同排布的仙人掌簇状微结构阵列被设计和研究。通过仿真和实验表明,湿润的空气围绕3D打印的六边形排布的仙人掌簇状针型结构阵列的流动性得到改善 (图二c),进而相比于其他排列,六边形排布的仙人掌簇状针型结构阵列在收集水的效应方面表现出了优越性。六边形排布的仙人掌簇状针型结构阵列水的收集效率可以达到 2毫克每立方毫米每分钟。
图2. (a)自然界中仙人掌的簇状针型刺,(b)受仙人掌刺的启发设计的六边形排列的仿生仙人掌簇状的针型微结构阵列,和湿润空气流动性的仿真结果(c)沉浸表面累积三维打印仿生仙人掌的簇状针型微结构示意图,(d)三维打印仿生仙人掌的簇状针型微结构的扫描式电子显微镜照片和三维打印仿生仙人掌的簇状针型微结构收集水的照片。
 
       该研究提供了一种新的思路进一步设计可以未来用来实现无耗能高效率的水滴收集仿生材料,解决水资源短缺的困境。此外,考虑到3D打印方法的灵活性和有效性,仿生仙人掌微结构可能在水滴收集,液滴传输,油水分离,工业热交换器等有着广泛的应用前景。该工作得到了自然科学基金(NSF, Grant Nos. CMMI-1151191) 的支撑。

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