基于Taylor毛细升效应的纤维上液体的长程定向传输

Directional liquid transport on fibers has important research significance and application value in the fields of water enrichment, controllable microfluids, minimally invasive surgery, directional drug delivery, directional lubrication and anti-sticking. At present, the research on liquid driving on the surface of fibers mainly focuses on the structural gradient, surface chemical energy gradient, applied force and capillary force of fibers. Based on the above forces, the fibers can realize local short-range (micro-and nano-scale) directional transport of liquids. The inability of long-distance directional transport of liquid on the surface of fibers restricts the practical application of liquid driven by fibers..Based on this, we observe directional liquid wetting by the orientation wedge structure on the surface of biological hair fibers in nature and explore the mechanism of directional liquid wetting by Taylor capillary rise of fiber surface orientation wedge structure. Fibers with orientation wedge structure are biomimetically prepared by 3D printing. By adjusting the orientation and arrangement of wedge structures and cooperating with the capillary spreading between fibers, we realize long-distance and directional transportation of fibers to liquids.

纤维上液体定向输运在水分富集、可控微流体、微创手术、药物定向输送、定向润滑防粘等工农业领域具有重要的研究意义及应用价值。目前，对纤维表面液体驱动的研究主要集中在纤维的结构梯度、表面化学能梯度、外加作用力及毛细作用力等方面。基于上述作用力，纤维能够实现对液体的局部短程（微、纳米尺度）定向输运。纤维表面液体不能够实现长程、定向输运制约着纤维驱动液体的实际广泛应用。.基于此，我们通过观测自然界中生物毛发纤维表面的取向楔形结构能够实现液体的定向浸润，探究了纤维表面取向楔形结构Taylor毛细升对液体定向浸润的机理，通过3D打印仿生制备具有取向楔形结构的纤维，通过调节楔形结构的排列方向，排列方式，协同纤维之间毛细长程铺展，实现纤维对液体的长程、定向输运。

纤维上液体的定向输运（DLT）作为一种重要的传质策略，在自然生物体和工程应用中都得到了广泛的应用。到目前为止，纤维上液体的定向输运在很大程度上依赖于能够产生拉普拉斯压差的锥形结构。对于圆柱形纤维，液体只能在纤维间毛细力的作用下沿纤维的轴向向两端均匀传输，而基于纤维间毛细力的作用很难实现液体在方向及距离上的可控输运。在本研究中，我们揭示了双圆柱毛发纤维具有可控定向输运液体的能力。这是由于毛发上的鳞片在湿重构后具有定向排列的楔形结构。液体能够向逆着楔形角张开的方向上流动，而沿着楔形角张开的方向上由于鳞片边缘结构的钉扎效应和鳞片棘轮结构的各向异性滞留力的协同作用，液体的流动被抑制。因此，液体更倾向于在双圆柱毛发纤维上逆着鳞片张开的方向定向输运。在此基础上，我们提出了双圆柱形纤维的概念模型，通过控制鳞片楔形结构不同的张开角度，实现了液体不同方向上的定向输运及可调的整流比。我们设想这一结果为使用圆柱形纤维系统操纵液体提供了新的见解。