Droplet | 综述文章 | 仿生液滴操纵材料:原理、方法和应用

文摘   2024-10-11 15:00   吉林  

文章导读

液滴操纵技术在生物医疗、能源、化学、材料等领域具有重要的应用价值。然而,目前对液滴操纵的研究主要集中在实验现象观测与分析层面,缺乏对基本原理的深入探索,并且对实现液滴操纵的基本条件认识存在不足。同时,人造仿生材料存在工艺复杂、成本高昂,以及运动距离相对较短、运动速度相对较小等诸多缺点,限制了液滴操纵材料的应用范围。另外,虽然广大学者在液滴操纵研究方面已经取得了较多成果,但这些研究仅局限在实验室阶段,如何将其广泛应用于实际生活仍有待进一步研究。

近期,长春理工大学跨尺度微纳制造教育部重点实验室的许金凯教授、修思羽硕士生、廉中旭博士与吉林大学机械与航空航天工程学院于化东教授在《Droplet》期刊上共同发表《仿生液滴操纵材料:原理、方法和应用》(Bioinspired materials for droplet manipulation: Principles, methods and applications)综述文章,系统地分析了固体表面液滴定向运动的基本原理,总结了液滴操纵基于主动和被动策略的最新研究进展及应用方向,并展望了仿生液滴操纵材料在未来发展中所面对的机遇与挑战。

该综述在介绍固体表面润湿理论的基础上,根据液滴驱动的原理不同,将液滴操纵机制分为被动(拉普拉斯压力和润湿性梯度)和主动(电场、磁场、光场和热场)两种类型,如图1。在总结液滴操纵的典型研究实例中,基于被动策略的各向异性表面主要分为三种类型:几何各向异性表面、润湿各向异性表面和协同各向异性表面,如图2;在主动操纵液滴策略介绍中,分析了利用电、磁和光等不同外场操纵液滴的方法及优缺点,如图3。另外,文章介绍了液滴操纵技术在生物医学、化学、材料、能源工程等领域的典型应用,如图4。最后,文章对仿生液滴操纵材料的发展提出几点挑战:(1)基于被动策略的液滴移动速度和移动距离受限;(2)基于主动策略的多液滴同时可编程操纵研究很少;(3)外场操纵方法在具体应用中有其自身的局限性;(4)液滴操纵材料制备工艺复杂、成本高、长期稳定性差等问题;(5)液滴操纵系统的微型化、集成化亟待解决。

图1 固体表面液滴定向运动的基本原理:(a-f)被动策略;(g-k)主动策略

图2 基于被动策略的各向异性表面:(a)几何各向异性表面;(b)润湿各向异性表面;(c)协同各向异性表面

图3 基于主动策略不同外场操纵液滴方法:(a)电场;(b)磁场;(c)光场

图4 仿生液滴操纵材料的应用领域

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原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/dro2.12

通讯作者简介


许金凯教授

长春理工大学

长春理工大学教授,博士生导师,现任跨尺度微纳制造教育部重点实验室主任,精密制造及检测技术国家地方联合工程实验室主任。首批长白山领军人才,吉林省“超精密微纳制造关键技术”中青年科技创新领军人才,吉林省拔尖创新人才,吉林省有突出贡献中青年专业技术人才,国家科技奖励评审专家,国家高层次人才计划评审专家,机械工程学会极端制造分会委员,现任《International Journal of Extreme Manufacturing》等多个期刊编委、青年编委。近年来,主持基金委、科技部、军科委等重点项目10余项,获国防技术发明一等奖、吉林省技术发明一等奖等奖励5项,授权发明专利37件,发表高水平论文120余篇。

廉中旭博士

长春理工大学

硕士生导师,跨尺度微纳制造教育部重点实验室学术骨干,主要从事跨尺度微纳特种加工方法、微结构功能表面制备与应用的研究,目前在英国华威大学开展为期2年的博士后合作交流。近年来,获博士后国际交流计划派出项目、中国博士后科学基金面上项目等资助,主持国防基础科研重点项目、吉林省自然科学基金等科研课题5项。以第一/通讯作者在Chemical Engineering JournalInternational Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green TechnologyACS Applied Materials & Interfaces等国际知名期刊发表SCI论文25篇,申请与授权国家发明专利10余项。获吉林省优秀青年荣誉称号,入选吉林省青年科技人才托举工程,获玛丽•居里行动计划Seal of Excellence奖(92.2分)、吉林省优秀博士学位论文。

期刊简介

Droplet是吉林大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊。


Droplet旨在成为跨学科的高水平学术交流平台,展示液滴和气泡相关领域的前沿研究成果,推进国际科研传播与合作。


期刊主编由中国科学院院士任露泉教授和美国加利福尼亚大学洛杉矶分校C. J. Kim教授担任。执行主编由香港城市大学王钻开教授担任。编委会由来自16个国家和地区的56名国际知名专家学者组成。


期刊主页

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编辑部联系人

张成春教授,王丹编审

国际仿生工程学会
学会旨在增进各国仿生学者之间的学术交流与合作,推动仿生工程领域科学研究的发展,提升仿生工程人才的培养教育水平。学会秘书处常设在中国长春吉林大学,是目前在中国教育部所属高校中唯一设立秘书处的国际学术组织。
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