吉林大学张成春教授团队ACS Nano：用于防冰和多维液滴操控的仿生无氟磁性纤毛阵列

道路、高压电线、管道以及飞机和火车表面结冰可能会造成严重的经济损失，甚至对人类活动产生负面影响。热、机械和化学除冰是冰处理的常用方法，但这些方法通常成本高、效率低，还可能损坏表面。因此，开发高效耐用的防冰表面具有重要意义。近年来，由聚合物组成的超疏水微阵列结构（如柱和纤毛阵列）已被广泛研究，尤其是纤毛因其突出的柔韧性和稳定性而被认为是较好的防冰结构。然而，现有的超疏水纤毛制备技术还存在环境污染、成本高、制备工艺复杂等问题，研发无毒环保的超疏水纤毛阵列来实现高效防冰仍存在诸多挑战。

近日，吉林大学仿生科学与工程重点实验室张成春教授团队受支气管粘膜纤毛结构和超疏水荷叶结构的启发，采用快速可控的微孔辅助磁诱导微纤毛自生长方法，制备了有序的磁性纤毛阵列(MMA)，经过改性二氧化硅的修饰，得到无氟的超疏水纤毛阵列(SMMA)，不仅实现了有效防冰，而且能够进行多功能液滴操控。该工作以“Bioinspired Fluoride-Free Magnetic Microcilia Arrays for Anti-Icing and Multidimensional Droplet Manipulation”为题发表在《ACS NANO》。本课题得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、吉林省科技发展计划、山东省自然科学基金和泰山产业领军人才计划的支持。

动态、静态和长期防冰性能

在实际应用中，过冷雨滴（0°C）和过冷环境是造成地表结冰的主要因素，而SMMA经过100次过冷液滴冲击后，仍能保持较好的动态防冰性能(图1)。此外，SMMA还表现出良好的静态防冰性能，延缓了过冷环境下静态液滴的冻结，而且在低温（-18°C）下表现出长达2个月的长期防冰能力。这主要是由于纤毛减少了液滴与过冷基质之间的有效接触区域，以延迟冻结。同时，这些微纤毛之间的间隙可以储存空气层，空气层具有低导热性，这进一步延迟了结冰。由于热传导和水滴与表面接触面积的协同作用，降低了冰的成核率和粘附力。

图1 商用超疏水喷雾修饰的表面和SMMA动态防冰性能对比

多功能液滴操控

由于纤毛灵敏的磁响应和优异的弯曲性能，SMMA和MMA在磁场下也表现出出色的液滴操控能力。SMMA可通过磁响应微纤毛的顺序弯曲来实现液滴的水平输运、融合、微化学反应检测和反重力输运，甚至不规则固体的输运(图2)，扩大了微化学和微流控中多功能液滴操纵的应用范围。

图2 SMMA的多功能液滴输运和固体输送

由于水平输运过程中可能存在运输障碍和遭遇恶劣的环境条件，此时，垂直捕获-释放机制可以提供额外的液滴输运方式。在磁场中，通过操纵MMA表面微纤毛弯曲可以调节固-液-空气三相接触线 (TCL)的长度从而调节纤毛与液滴之间的粘附力，实现了液滴的垂直捕获和释放 (图3)。

图3 MMA垂直方向水滴和NaOH液滴的捕获-释放

综上所述，该工作设计并制备了一种环保、低成本的磁性可控微纤毛，为解决工程中的防冰及其它液滴操控问题提供了创新思路。

通讯作者简介：

张成春，吉林大学生物与农业工程学院、仿生科学与工程学院教授，泰山产业领军人才入选者，帝国理工学院访问学者，Droplet期刊编辑部创刊总编、副主编。主持国家自然科学基金项目5项、国家重点研发计划项目课题1项、工信部“民机科研”专题1项及基础加强领域基金、国防科技创新特区主题项目等，涉及仿生飞行器与仿生动力系统、以及与之相关复杂流体与复杂流动。在ACS NANO、Physics of Fluid、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Colloid and Interface Science、Ultrasonics Sonochemistry、Applied Acoustics、Applied Thermal Engineering、Journal of Sound and Vibration、Soft Matter、Journal of Bionic Engineering等期刊发表论文70余篇，获得中国发明专利授权24件。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c08368

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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