随着工业发展，有机废水非法排放导致含油污水激增，因此，研发高效油水分离技术成为环保领域的关键难题。传统方法依赖如磁力、电力驱动等外部能源驱动，存在成本高、设备复杂等局限。然而，自然界中银杏叶沟槽和松针锥形等生物结构却能巧妙利用物理特性实现液滴自驱动输运，这一现象为新型分离技术的研发提供了创新灵感。
近日，鲁东大学陈雪叶教授团队受自然界启发，将松针的锥形结构与银杏叶的沟槽结构相结合，利用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术制备了仿生耦合锥梯度沟槽（BCGG），实现油滴在无外部能源下的逆重力自驱动输运。该结构通过拉普拉斯压力与毛细力协同作用，实现了油滴的自驱动、跨界面高效运输，最大运输速度达55.2 mm/s，是传统锥形结构的11倍，为油水分离领域提供了新的思路和方法。
相关成果以“Microdroplet self-driven transport on the surface with bionic coupled cone-gradient groove”发表于国际权威期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。霍绪尧副教授和2023级研究生陈鑫坤为共同第一作者，陈雪叶教授为通讯作者。
（1）本研究将松针的锥形结构与银杏叶表面的沟槽结构结合起来，设计了一种新型的仿生锥形-梯度槽耦合表面，具体的设计理念来源和外观形貌如图1a所示，并通过摩方精密微纳3D打印系统：nanoArch® P150（精度：25 μm）制备出BCGG结构。随后将样品放入处理好的化学溶液中浸泡涂覆二氧化硅颗粒，最后放入真空干燥箱中干燥12小时得到最终的样品（图1b）。
图1. BCGG的设计与制造。(a)仿生锥形梯度槽耦合面的设计。(b)BCGG的制造过程。
（2）通过测试7°、9°、11°、13°、15° 五种锥角的BCGG逆重力输油性能，发现在锥角为11° 时，平均运输速度最快（21.37 mm/s），因该角度下锥形结构产生的拉普拉斯压力与沟槽结构的毛细力协同作用最佳，锥角过小或过大均会导致驱动力不足。同时，倾斜角度对输运速度有显著影响，随倾斜角度从0° 增至30°，油滴运输速度从44.6 mm/s 降至25.1mm/s，因重力垂直分量增大导致阻力增加。机理分析表明，油滴接触结构后在毛细力作用下形成油膜减小阻力，同时拉普拉斯力驱动油滴逆重力向上，沿梯度沟槽运输至吸油海绵（图2）。
图2. BCGG结构参数优化。(a)不同顶角的BCGG示意图。(b)不同顶角的BCGG在初始时刻将油滴输送到水下的图像。(c)实际捕获的图像，时间为0.82秒。(d)不同顶角α的BCGG抗重力（2µL）输送油滴的速度。(e)BCGG输送油滴的机制图。(f)不同倾斜角β（α=11）下BCGG输送油滴的速度。
（3）在固定锥角为11°的情况下，研究沟槽数量（2-5 个）对输油性能的影响。研究人员发现随着沟槽数量增加，使得横截面积增大、有效长度减小、毛细力减弱，油滴运输速度不仅下降，且无沟槽圆锥无法完成运输。因此，2-BCGG具有最长的有效长度、最优的毛细力性能，从而展现出最佳输运效率。对于不同体积油滴，2-BCGG对6 µL油滴仍保持9.1 mm/s速度，10 µL油滴可在8.45 s内完成运输，展现了大体积油滴输运能力。不同倾斜角度下，2-BCGG速度始终优于其他结构，在锥角为30°时，油滴速度是传统无沟槽锥形结构的11 倍，且连续五个周期测试显示其输运性能稳定，重复性良好。
图3. BCGG结构参数及传输特性。(a)不同沟槽（2-BCGG、3-BCGG、4-BCGG、5-BCGG和无沟槽锥体）的BCGG实物图和横截面。(b)不同沟槽（4µL）的BCGG在重力作用下的向上油滴传输速度。(c)不同体积油滴在重力作用下2-BCGG的传输速度。(d) 2-BCGG在水下传输大体积油滴。(e)不同沟槽的BCGG在不同倾角下的油滴传输速度。(f)不同沟槽的BCGG在连续五个周期内水下传输油滴的速度。
（4）通过对比2-BCGG、无沟槽圆锥、沟槽圆柱和无沟槽圆柱的输油性能，揭示BCGG的驱动机理：2-BCGG的驱动力为锥形结构的拉普拉斯压力（FL）和梯度槽的毛细力（FC），阻力包括重力（FG）、滞后力（FH）和拖曳力（FD），合力（F=FL+FC−FH−FD−FG）使油滴逆重力运输。无沟槽圆锥仅依赖FL，合力不足导致油滴停滞中途；沟槽圆柱仅靠 FC 形成细流，速度缓慢；无沟槽圆柱无驱动力，油滴聚集底部。公式推导和受力分析表明，FL与油滴体积、锥角及表面张力差相关，FC取决于沟槽几何和接触角，两者协同作用使2-BCGG具备高效输运能力。
图4. 不同结构的传输机制对比。(a)2-BCGG过程及水下抗重力油滴传输示意图。(b)无槽锥体水下抗重力油滴传输过程图及示意图。(c)有槽圆筒水下抗重力油滴传输过程图及示意图。(d)无槽圆筒水下抗重力油滴传输过程图及示意图。
（5）BCGG在多相环境中表现出优异输油性能：空气中，2-BCGG可在57.17 s 内运输1 µL油滴，传统锥形结构无法完成；在液 - 气跨界面场景中，2-BCGG能将油滴从水下拉至水面并运输至根部，而传统结构油滴停滞界面。组装体实验显示，随BCGG数量从2个增至5个，2 µL和15 µL油滴分离时间分别从0.58 s、0.86 s 降至 0.15 s、0.37 s，接触面积和沟槽数的增加提升了油滴分离的效率。基于BCGG设计的水下自驱动集油装置，无需外部能量，可捕获油滴并输至吸油海绵，1 小时内分离约5 ml 油，适用于石油泄漏收集、有机废水处理等场景，展现广阔应用前景。
图5. 2-BCGG的多种应用。(a)2-BCGG与未加工锥体在空气中的油传输性能对比。(b)2-BCGG与未加工锥体在液气界面处的抗重力油传输性能对比。(c)油滴在界面处传输机制示意图。(d)不同体积油滴分离时间与2-BCGG组件数量的关系。(e)2-BCGG阵列收集微小油滴的示意图。(f)油水混合物、收集的油、分离出的水、用苏丹红染色的油。
总结：本研究通过仿生结构设计与3D打印技术结合，开发了兼具高效传输与环境适应性的BCGG表面，为复杂环境下的油滴收集提供了新策略。其自驱动、无能耗的特性在海洋漏油回收、有机废水处理等领域具有广阔应用前景。未来可进一步拓展至微流控芯片、生物传感等场景，推动仿生功能材料的实际应用。
原文链接：https://doi.org/10.1039/D5TA02118A
