《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Study on the Construction of Springtail-Inspired Umbrella-Wedge Composite Structure and Its Directional Water Transport Performance
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基于春足仿生学设计的伞状-楔形复合结构（SIUWC）通过飞秒激光两光子聚合技术实现跨尺度加工，构建了45°双斜楔形导轨。实验表明该结构具有100°/105°的非对称接触角特性，在1°/2°倾斜面上成功实现抗重力液体定向运输，解决了传统微结构液体传输中的残留和损耗问题，为微液滴精准操控提供了新方法。
作者：卢晓乐、赵鹏菊、景贤、宁晓晨、林杰琼、卢明明、于宝军
中国长春工业大学机电工程学院微纳与超精密制造吉林省重点实验室，长春 130012
摘要
本文提出并制备了一种受弹尾虫启发的伞形楔形复合（SIUWC）结构。通过对楔形轨道的钉扎阻力和扩散阻力进行机械分析，在仿弹尾虫的伞形阵列表面构建了倾斜角度为45°的双侧交错楔形轨道。提出了一种复合树枝状生长和区域分段扫描方法，利用飞秒激光双光子聚合（TPP）技术实现了SIUWC结构的跨尺度制备。SIUWC的加工区域为5mm × 6mm，最小特征尺寸为2.44μm。接触角测量结果显示，SIUWC结构表现出不对称的润湿性（左侧为100°，右侧为105°），而没有楔形轨道的伞形阵列则表现出超疏水性（150.2°）。随后在制备的表面上进行了定向水传输测试，在1°和2°倾斜表面上成功实现了抗重力液体传输，从而验证了SIUWC的水传输能力。这项工作可能为精密检测、靶向治疗等相关领域中的微滴精确定向传输和操控提供有价值的参考。
引言
在自然界中，许多生物进化出了适应其栖息地的皮肤表面或身体结构，通过这些结构它们可以收集、传输或排斥液体[1]、[2]、[3]、[4]。仿生技术复制了这些自然表面结构，从而实现了定向液体传输[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。在固体表面上实现微流体定向传输主要有两种方法：一种是通过沉积化学物质来修改表面以促进定向传输[10]、[11]、[12]、[13]；另一种是在表面制造微纳级结构，利用这些微纳结构的内在效应来实现定向液体传输。虽然化学表面修饰也可以实现定向液体传输，但这种方法容易污染传输的液体。因此，制造表面微结构以实现定向液体传输的策略受到了越来越多的研究关注。
目前，定向微流体传输技术在油水分离[14]、微流体装置[15]、[16]、[17]、雾收集[18]、[19]、[20]、芯片散热[21]、燃料电池[23]等领域得到了广泛应用。然而，大多数定向传输表面是通过在基底上构建二维或简单的二维半结构来制造的，这种设计相对简单。尽管这些单尺度微纳结构能够实现定向液体传输，但这些方法通常存在液体滞留、体积损失和传输过程中样品污染的问题——这些限制显著限制了定向流体传输的实际应用。相比之下，将微结构表面的疏水性与由结构不对称性引起的机械效应结合起来，可以实现高效、低残留、低损失和低污染的液滴传输。
在具有特殊润湿性的生物中，弹尾虫因其能够在潮湿的土壤中通过表皮捕获空气进行呼吸而脱颖而出。即使在水中环境中，它们的表皮表面也不会完全湿润——这一特性归因于它们出色的液体排斥能力，引起了广泛的研究关注。Choi等人发现了鞘翅表面的类伞形纳米结构，这些结构在其下方对高能量液体表现出强烈的排斥性[24]。Hensel等人研究并预测了伞形结构中的不对称润湿状态，以及强制润湿转变的稳定性和动态[25]。T.Y. Liu等人通过蚀刻完全可润湿的材料二氧化硅制备了伞形凹陷结构，实现了对低表面能液体的排斥性，并验证了这种伞形凹陷结构在各种液体系统中的超疏水性[26]。W. Xiong等人提出了一种仿生超润湿梯度楔形表面（SGWS），用于油下液体的自传输，该表面受到莲叶和仙人掌刺微结构的启发[27]。此外，Liu等人使用双光子聚合（TPP）技术制备了三层凹陷结构，并在其上集成了微开口毛细管，实现了由毛细力驱动的定向液体传输[28]。然而，实现超疏水性和定向水传输的协同集成仍然是当前研究中的一个关键挑战。现有的定向水传输表面通常无法实现低损失、高效率的液体输送。
本文提出了一种受弹尾虫启发的伞形楔形复合（SIUWC）结构，用于低损失定向水传输。通过对结构楔形导轨的钉扎阻力和扩散阻力进行机械分析，在仿弹尾虫的伞形阵列表面构建了倾斜角度为45°的双侧交错楔形轨道。液体的定向流动是由毛细力和钉扎阻力的协同效应触发的。提出了一种复合树枝状生长和区域分段扫描方法，利用TPP技术实现了SIUWC结构的跨尺度制备。最后，对制备的表面进行了定向水传输测试，在1°和2°倾斜表面上成功实现了抗重力液体传输，验证了所设计结构的定向水传输性能。这项工作可能为精密检测、靶向治疗等相关领域中的微滴精确定向传输和操控提供有价值的见解。
表面制备
表面制备
伞形结构和楔形导轨是使用我们研究团队自主研发的飞秒激光TPP快速原型系统制造的。该系统主要包括三个核心模块：控制模块、光路模块和处理模块。具体来说，控制模块负责监控制造过程（通过计算机上的CMOS相机进行实时成像），以及控制激光的开关
结果与讨论
SIUWC结构的设计灵感来源于弹尾虫表皮表面的类伞形纳米结构，通过改变伞形结构的几何参数，获得了类似伞形的阵列柱结构。仿生伞形阵列的详细设计如图2a所示，伞形结构阵列的中心距离为90μm，整体高度h1为30μm，伞的覆盖半径R为
结论
总结来说，本研究提出并成功制备了一种受弹尾虫启发的伞形楔形复合（SIUWC）结构，用于低损失定向水传输：通过对楔形导轨的钉扎阻力和扩散阻力进行机械分析，在仿弹尾虫的伞形阵列表面构建了倾斜角度为45°的双侧交错楔形轨道，避免了单侧楔形轨道相关的力损失，并最大化了钉扎阻力
作者贡献声明
于宝军：方法论。
林杰琼：资金获取。
卢明明：方法论。
宁晓晨：可视化。
景贤：写作——审稿与编辑，写作——初稿，监督，项目管理，方法论，概念化。
赵鹏菊：写作——初稿，可视化，验证，研究，正式分析，数据管理。
卢晓乐：写作——初稿，可视化，验证，研究，正式分析，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了吉林省科学技术厅（YDZJ202301ZYTS483）的财政支持。
作者声明没有利益冲突。
