原标题:逆向操作 中国科学家让液滴变气泡

原标题:用声波打印:科学家发明新型打印术,打印机方式可用于一切材料

打开开关,散落在水中的白色细小颗粒仿佛突然听到了召唤。它们“听话”地聚集在一起,在水中勾勒出了人们熟悉的图案——那是毕加索笔下的和平鸽。关掉开关,和平鸽的图案又会消散无形。

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报纸版面

  一般来说,气泡破裂后会产生液滴,但在英国《自然·通讯》杂志11日发表的一项物理学研究中,中国科学家团队描述了一种逆向操作的方法——让液滴转变为气泡。

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mgm娱乐登录地址 2通过控制声场中的声强大小可使有机硅(聚二甲基硅氧烷)颗粒形成和平鸽图形。颗粒直径为150μm。视频来自:参考文献1

  南方日报3月23日A13版讯(记者
李秀婷)回南天,地板冒水、墙壁“冒汗”,让人抓狂。在一些行业,水更是让人如临大敌:水会带来细菌,带来腐蚀,带来污染。偏偏在我们周围水又无处不在,“搞破坏”防不胜防。有没有办法在不欢迎水的时候把它挡在门外?超疏水材料担起了重任。
  在一场TED演讲中,科学家将一盆水泼向一块金属板,水珠像钢珠一样滚落,金属板仍然干爽;一只船桨浸入水缸,拿出来竟然未带出一滴水珠,就像是从没放进去过一样;一杯水倒在一块经过特殊处理的玻璃板上,水紧紧靠在中央“不越雷池半步”,即使用手搅出来一两滴也立即跑回去……
  这些违背我们肉眼“常识”的现象,就是“超疏水材料”捣的鬼。这种通过改变材料的表面自由能和表面粗糙度获得的新型材料,灵感来自于自然界中的荷叶。由于其防水、防腐蚀、抗菌的特殊效果,如今已经成为国际热门的研究领域,可以在环保、工业、医疗等各种你想象不到的领域大展身手。

据了解,该成果有助于找到液—液界面的操纵方式,对软物质制造具有一定的应用价值。

近日,哈佛大学的研究人员发明了一种新型声波打印技术**:利用声波产生的力精确控制用于打印的液滴,将让喷墨式打印不再受材料限制,而且适用的打印材料范围前所未有地广泛。**

在水中让悬浮颗粒“排好队”的,其实是声波。德国马普研究所的研究人员开创了一种简单有效的声波控制方法,只需要一片特殊形状的3D打印塑料片,再加上一台简单的声音换能器,就可以控制声波完成水中“绘画”了。

1 微观尺度下的微纳复合结构

声悬浮技术,是地面和空间条件下实现材料无容器处理的关键技术之一,声悬浮能让液滴在声波作用下悬浮在空中,是液滴动力学研究的常用技术。

这项技术在新型生物制药、化妆品和食品制造行业有很大的应用潜力,也将给光学材料和导电材料领域的发展也带来了新的可能性。

这种新方法和现有技术相比,具有精密度更高、速度更快、成本更低的优点,该成果将有助于改善医疗成像并推动超声的新应用。相关论文于9月21日发表在《自然》期刊上\[1\]

  材料表面的自由能决定了这个材料是亲水还是疏水,自由能越低,疏水性越强;表面微观的粗糙度则决定了亲疏水的强度,表面越粗糙,疏水性越强
  一颗水珠滴在材料表面,如果它迅速铺展开来,就是亲水或超亲水表面;如果水珠形成球形,能够滚来滚去,就是疏水乃至超疏水表面。
  自然界中的某些植物叶表面具有超疏水性质和自清洁功能,最典型的便是荷叶表面,形成了“荷叶自洁效应”,“出淤泥而不染”。
  超疏水的性质是怎样形成的?弄清楚这个,自然界的超疏水现象就可能为人类所利用了。
  华南理工大学化学与化工学院一位研究超疏水材料的专家解释,按照热力学的规律,表面能高的物质无法在表面能低的物质表面铺展开。水是表面能比较高的物质,因此表面能比水低的物质,如一些含硅、氟的物质就会表现出疏水性,水在这样的表面会尽量让自己缩成一个球形。
  低表面能的化学组成结构决定了物质是否疏水,但仅有疏水性质还不够。20世纪三四十年代,科学家就发现了表面粗糙度微结构与浸润性之间的关系。在微观环境中,液体滴在固体表面上,并不能完全填满粗糙固体表面上的凹面,在液滴与固体凹面之间还存在着空气。
  宏观上看到的固体和液体的接触界面,实际上是由气液界面和固液界面共同组成的混合界面。微表面越粗糙,锁住的空气就越多,与水的接触就越少,固体就越疏水。
  1997年,德国生物学家巴特洛特(Barthlott)等研究人员通过对近300种植物叶表面进行研究,认为植物叶片的自清洁特性是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面疏水的蜡质材料共同造就的。
  看起来平滑光洁的荷叶,在电子显微镜下却是另外一番情景:表面布满了颗粒状的乳突,看起来粗糙不平。这些乳突及乳突之间又被众多纳米级的蜡质晶体所覆盖。防水的蜡和微米级的乳突使得荷叶表面呈现超疏水的特性。
  上述专家介绍,材料表面的自由能决定了这个材料是亲水还是疏水,表面自由能越低,疏水性越强;而表面微观的粗糙度则决定了亲水和疏水的强度,表面越粗糙,疏水性越强。因此,表面疏水时,增大固体表面的粗糙度就能增大表面的疏水性。
  2002年,我国著名纳米材料专家江雷的团队发现,在荷叶表面微米结构的乳突上,还存在纳米结构,乳突的平均直径为5—9微米,每个乳突表面分布着直径在(124±3)纳米的绒毛。乳突之间的表面也存在着纳米结构。另外,在荷叶的下一层表面同样可以发现纳米结构,它可以有效地阻止荷叶的下层被润湿。
  原来,仅仅是微米结构,疏水性还不够强,微纳多层结构才是自然界疏水现象的终极奥秘。
  研究者通常以接触角来表达液体对固体的浸润程度,也就是亲疏水的程度。接触角是气液界面的切线穿过液体与固液界面之间的夹角。如果水珠在材料表面是完美的球形,也就意味着这块平板是完全疏水的材料,接触角是180°;如果水完全平铺在表面,表示材料很亲水,接触角是0°。
  接触角越大,浸润程度就越低。按照定义,超疏水表面一般是指与水的接触角大于150°的表面。
  现实中的平面往往不是水平的,更多的是斜面。水滴在倾斜表面上可能滚动或停滞,这也是亲疏水性的一种表现,这种状态需要用滚动角进行表述。滚动角是指液滴在固体表面开始滚动时的临界表面倾斜角度。如果液滴开始滚动的倾斜角越小,表明这个表面的超疏水性越好。
  上述专家介绍,水珠滚落,去污能力比滑落强,而倾斜的光滑表面水珠多处于滑动状态,这就解释了超疏水表面的自清洁特性。

而声压是大气压受到声波扰动后产生的变化,即大气压强的余压,利用声压,科学家可以把液滴压扁成很薄的液膜,并诱导屈曲现象,从而实现液滴的变形。

这项研究成果于 8 月 31
日发表在著名国际期刊《科学进展》(Science Advances)上。

声波如何变成“画笔”

声音的本质是振动,它们传递着能量。物理学上认为声音,特别是超声,能够像磁铁产生磁场那样,产生具有能量的“声场”。声场能将能量传递给其它物质,周星驰拍摄的电影《功夫》中,包租婆惊人的狮吼功就是传输声波能量产生的杀伤力。

只要声场足够强,它就可以“隔空”操控液体或空气中的小颗粒了。同时,作为一种波,声波也会发生干涉、衍射,在声场中形成不同的能量密度分布。而这个能量分布图,就是“声全息图”。能量分布不同,对物体的影响也有差异,于是,通过控制声场,就可以让其中的小物体排列成不同的样子。

这种控制技术之前就已经存在。科学家们会把一系列换能器排成阵列,分别控制它们输出的声波信号,以此来形成所需的声场。这样能够让小物体悬浮在声波驻波的波节附近,还能控制它们移动。

mgm娱乐登录地址 3此前,日本研究者用超声波相控阵列控制了小物体的三维移动。更多阅读:酷炫动图(十):物理篇

不过,这种技术也面临一个问题:设备复杂、价格昂贵,而且要想实现精细的控制,输出声波的阵列就必须做得更加复杂、设备数量更多,这就限制了技术的应用推广。

而这一次,马普研究所报道的新方法只需要花几元钱的成本,就可以制造出一个精细控制的声场。他们的秘诀是一块计算机设计、3D打印的塑料片。

2 向自然学习制作超疏水材料

此次,中国西北工业大学臧渡洋及其同事将这些已观察到的现象相结合,以对气泡的形成进行控制。

论文的通讯作者、哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)的生物工程学教授
Jennifer Lewis 说:“我们发明的这种声波打印技术,利用了声波产生的力,能按照需求打印任意的材料。”
Lewis 教授也是哈佛大学威斯生物工程研究所(Wyss Institute forBiologically
Inspired Engineering)的核心教员。

五个步骤,画一只和平鸽

通过这种新方法画一只和平鸽,只需要以下几个步骤:

第一步,先选好想要的图形。

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第二步:使用一种专业的计算方法——迭代角谱法(IASA),算出和平鸽的衍射图样,即将和平鸽图样转换为全息术能够识别的“水波纹”。

mgm娱乐登录地址 5迭代角谱方法(IASA)计算得出的和平鸽图案相位分布图
(2.06 MHz 超声波)。图片来自:参考文献1

第三步:用3D打印机按照上一步计算出的“波纹”,打印出一块凹凸不平的塑料片。这塑料片的“波纹”看似杂乱,但其中所蕴含的,正是我们需要的和平鸽图案。

mgm娱乐登录地址 6透射和平鸽图案全息图的塑料片(边长50mm)。图片来自:参考文献1

第四步:把塑料片覆盖到换能器上。在塑料片比较厚的地方,声波要花更长时间才能通过。这样一来,换能器发出的声波在通过塑料片之后,原本平均的信号就会发生“扭曲”,产生不同的相位分布。

mgm娱乐登录地址 7换能器产生的声波通过塑料片转换为平面图像

第五步:经过转换之后,声波在水中传播。不均匀的声波在水中产生了压力差。

mgm娱乐登录地址 8研究人员模拟出水受到的压力大小数值,可以看出声压不均匀的分布,红色代表压力较大,而蓝色部分代表压力小。

研究人员在水中放入一个装着有机硅小颗粒的透明容器。打开开关,声压就会推动透明容器中的小颗粒。声压大的部位,就会把有机硅小颗粒从容器底器推举到容器顶部。最终,小颗粒就排列出了与声压密度分布一致的“和平鸽”图案。

mgm娱乐登录地址 9“描绘”和平鸽的实验装置立体构造图

除了平面图案,3维控制也同样不在话下。下图中,就演示了喷雾的小水滴在声场中悬浮,组成了立体图案:

mgm娱乐登录地址 10原视频来自:nature
video

同样,在设计好的声场中,一只小纸船也可以按照既定轨道游动。

mgm娱乐登录地址 11原视频来自:nature
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  人们从大自然受到了多重启发,制造出同样具有超疏水性质的各种材料,对各向异性的研究则可控制液体在固体的哪个方向、什么程度上发生浸润
  除了荷叶,还有很多生物的表面具有超疏水结构。上述专家介绍,蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成,直径约为80纳米,纳米柱的间距约180纳米。规则排列的纳米突起构建起了粗糙度,使蝉翼表面稳定吸附了一层空气膜,诱导了超疏水的性质,从而确保了自清洁功能。
  壁虎的脚趾头也具有迷人的层次结构。微观观察可以看到,其脚趾由成千上万像丝绸一样的“鳞片”和每一片“丝绸”包含的几百个像铲子一样的细微结构组成。这样的结构使得壁虎脚掌异常粗糙,能在墙壁上随意爬行。
  江湖上人称“铁腿水上漂”的水黾虽然自身重量很小,但它能浮于水面上主要还是靠它腿部的超疏水结构。江雷的团队对水黾腿进行了深刻细致的研究,发现水黾腿表面定向排列着微米级的针状刚毛,并且刚毛上还有螺旋状的纳米级沟槽结构。刚毛可以吸附在构槽中的气泡形成气垫,从而让水黾能够在水面上自由地穿梭滑行,却不会将腿弄湿。
  在水黾的启发下,许多研究者设计了新型超级浮力材料。哈尔滨工业大学应用化学系的潘钦敏博士等研究人员就以多孔状铜网为基材,并将其制作成数艘邮票大小的微型船,然后通过硝酸银等溶液的浸泡处理,使船表面具备超疏水性。
  这种材料同样具有微纳米结构的表面,可在船外表面形成空气垫,改变船与水的接触状态,使船体表面在水中所受阻力更小。这种微型船在水面自由漂浮的同时可以承载比自身最大排水量多50%的重量。
  水滴在某些植物的叶表面滚动时会表现出各向异性,可以简单解释为在不同方向上表现出的性质不同。江雷的课题组观察到,水稻叶表面水滴总是沿着平行叶脉方向滚动。原来,水稻叶表面具有类似于荷叶表面的微纳米相结合的多级结构,但是,在水稻叶表面,乳突沿平行于叶边缘的方向排列得井井有条,垂直方向上的排列则很“任性”,因此水珠更容易沿着平行叶脉方向滚动坠落。
  2009年,江雷的团队在蝴蝶翅膀表面也发现了水滴滚动的各向异性。蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠覆盖,每一个鳞片上又分布着排列整齐的纳米条带结构,而每个纳米条带由倾斜的周期性片层堆积而成。这种特殊微观结构导致水珠在蝴蝶翅膀表面滚动时具有各向异性。
  这些研究结果为制备出浸润性可控的固体表面提供了重要的信息。掌握了这些,人们不仅可以控制固体和液体是否发生浸润,还可以控制液体在固体的哪个方向、什么程度上发生浸润。

研究团队先通过声辐射力将液滴压成薄片状的液膜,再通过超声场让液膜弯曲成碗状,内部为共振腔。研究团队发现,共振会让腔体扩大,并引导周围的液面弯曲,最后收缩成一个闭合的气泡。

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“声波画笔”还能做什么?

画和平鸽、开小纸船很有乐趣,但这项技术的用处可远不止于此。用简单、高效、快速的方法营造出一个复合声场,能沿特定路径移动液体中的固体,也可以将固体和液滴悬浮于空气中,这可以说在声学控制领域里做到了一定范围和程度上的“为所欲为”。经过改进后,这项技术可以广泛应用到各种非接触式的材料处理当中。

当然,这项技术目前最主要的应用方向还是无损检测、医用超声波诊断以及治疗。基于其自身的三大优点可以有效提高医疗成像水平和引导新一轮的超声应用:例如实现对速度和精密度要求更高的超分辨率成像、局部加热以及个体化用药等等。(编辑:窗敲雨)

3 让超疏水材料走出实验室

研究人员观察到的这一过程,指出了一条形成气泡的新途径,而这一途径对于食品、化妆品及制药行业的泡沫等软物质制备具有潜在的应用价值。返回搜狐,查看更多

图 |
在声波打印中,声波产生可控的力,当喷嘴处液滴达到某个尺寸时,能将液滴拽离喷嘴并射向基座,就像从树上摘下一个个苹果。来源:Daniele
Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

http://www.gslyf.com ,参考资料:

  1. http://www.weidiany.com ,Kai Melde, Andrew G. Mark, Tian Qiu, Peer Fischer.Holograms for
    acoustics. Nature, 2016; 537 (7621): 518 DOI: 10.1038/nature19755

  超疏水材料的应用面相当广泛,涵盖航天军工、建筑、医疗等各个方面。然而,由于受目前技术及开发成本等限制,实际产业化及商品化的还不多
  超疏水特性能应用在哪些方面?不少研究者对此提出了畅想。
  先想想跟我们生活息息相关的。有抗菌自清洁效应的超疏水表面应用于生活用品,可以减少清洗的麻烦;冰箱、冷柜等制冷设备的内胆表面上,不再有凝聚水、结霜、结冰现象;在建筑物内外墙、玻璃及金属框架等的防水、防雪和耐沾污等方面应用,可大大降低建筑物的清洁及维护成本。
  思路开阔一点。天然气、石油管道内壁表面涂上超疏水分子膜,能够防止管道腐蚀,提高油气的传输效率。将其涂在远洋轮船船底,可以防污、防腐。
  超疏水材料在微流体控制应用上也有出色的表现。研究者提出,控制微液滴的运动和流动并以此制造微液滴控制针头,使得在实验或生产过程中对液体滴加计量精确控制,实验试剂的添加将更得心应手。
  还有专家认为,如果将这类技术运用到诸如静电喷涂领域,比如用超疏水材料制造喷漆喷胶等的喷头,将会使喷涂的液滴更加均匀,雾化效果更好,可以运用在对喷涂效果有特殊要求的场合。
  上述专家介绍,超疏水材料目前主要有几种制备方法,包括模板法、等离子法、化学气相沉积法、静电纺丝法、溶胶-凝胶法等,基本上都是在低表面能的材料上构造粗糙表面。
  这些方法要么过于昂贵;要么设备要求高、条件苛刻、周期长,只能在实验室少量制造;要么疏水表面强度不耐磨损;要么疏水性持久性不强,易被油性物质污染……目前,研究者一方面在想方设法制造出不同结构具有不同特性的疏水材料,比如一些既疏水又疏油的超双疏材料研究,一方面也在绞尽脑汁让它们走进实际应用。
  目前,华南理工大学化学与化工学院相关团队在制备超疏水性涂膜方面取得了良好的进展。他们制备出微纳复合结构的粒子后,与有机硅复合做成涂料,喷涂这种涂料即可制备超疏水涂膜,成为为数不多的具有实际应用价值的技术方法之一。
  针对超疏水涂料易磨损而导致强度不够的问题,上述团队也提出了新的思路:在物体表面先涂一层胶水,再喷涂疏水涂料,这样能使疏水涂料与物体表面更好地黏合,疏水强度得到了保障。
  最近一期的《科学》杂志上,英国伦敦大学学院化学系博士生陆遥也提出,在黏胶上喷涂超疏水涂料的方法可以有效改善超疏水涂料易磨损的弱点,“将超疏水领域的弱点交给更加成熟的黏胶技术去克服”。

责任编辑:

从自然界乃至工业界,小小的液滴都有很多应用,比如油墨打印以及药物递送系统中用到的微胶囊。

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