南方科技大学唐欣课题组CRPS：晶格微结构中的去润湿：毛细串级现象与多材料增材制造

摘要：南方科技大学唐欣课题组研究液体在三维拟布拉维点阵结构中的去润湿过程，发现了毛细串级现象(Capillarity Cascade)，即“晶胞”中液滴会按“晶格”类型有序破裂，形成整个结构尺度上的逐级去润湿行为。破裂次序的决定因素为“晶胞”的临界破裂压；通过对破裂

三维周期性微结构与流体的相互作用备受关注，学者们充分研究了流体在三维结构中的润湿与铺展行为，其逆向过程去润湿有待进一步探索。

南方科技大学唐欣课题组研究液体在三维拟布拉维点阵结构中的去润湿过程，发现了毛细串级现象(Capillarity Cascade)，即“晶胞”中液滴会按“晶格”类型有序破裂，形成整个结构尺度上的逐级去润湿行为。破裂次序的决定因素为“晶胞”的临界破裂压；通过对破裂压的调控，可以实现液体在三维空间中的准确分布，启发了体素多材料增材制造新方法。

研究论文发表于Cell Reports Physical Science，题目为Capillarity Cascade in Crystalline Micro-Architectures for Voxelated Additive Manufacturing。论文第一作者为南方科技大学力学与航空航天工程系博士生谭鸿钍，通讯作者为南方科技大学力学与航空航天工程系唐欣副教授，材料科学与工程系程鑫教授为共同通讯作者。

现象发现：毛细串级

基于三维周期性立方布拉维点阵（图1A），团队构建简单立方、体心立方、面心立方微结构“晶胞”并研究液体在其中的去润湿行为。在单个“晶胞”中，通过蒸发或缓慢抽吸，液体体积缩小，气液界面内凹，达到临界破裂体积时，相邻气液界面融合，引起液滴破裂。当不同“晶胞”互连时，无论其如何排列，液滴始终按简单→体心→面心的顺序逐级破裂，这种依次去润湿行为简称为毛细串级。

图1. 晶格微结构间的逐级去润湿行为。

机制揭示：三维微结构中内聚力与粘附力的相互竞争

三维布拉维点阵结构数量众多，而非布拉维点阵结构更是数不胜数，面对这些千变万化的三维开放式微结构，能否对每个结构单元提取一个数，通过数的大小就能刻画逐级去润湿的次序呢？通过三维相场模拟，团队监测液体压力随体积消耗的变化，每个结构单元的临界破裂体积对应着一个破裂压力，这个破裂压力能描述去润湿的次序。当不同结构单元互连时，液滴按该压力由高到低的顺序逐级破裂。

对于同种液体，破裂压力值与结构单元类型、微柱长径比、微柱表面润湿性相关，是液固粘附力与液体内聚力相互竞争的结果。刻画平衡态毛细系统的气液界面形貌是一个界面能最小化的变分问题，常规思路是在液固接触线处满足Young接触角方程，再根据Young-Laplace方程对气液界面形貌进行求解。三维结构单元的几何复杂性，尤其是支柱圆形截面和柱间夹角的存在使液固接触线区域难以直接理论推算，常用的球形近似带来的误差不可忽视，因此需要数值方法获得临界破裂压，这同时也为临界破裂压提供了非常丰富的调控手段。

图2. 内爆动力学。

体素化多材料增材制造新方法：从“逐点打印”到“逐相打印”

毛细串级中，微小液滴按晶格类型依次破裂的特性天然成为了一种在三维空间中控制材料沉积分布的方法。团队通过调控晶格类型和长径比，在结构单元内各自精准预设了所需的破裂压，实现了液体在特定位置的按需驻留。

首先将微结构支架整体浸润前驱体溶液，通过蒸发或抽吸引发的去润湿过程，驱动单元内液滴的依次破裂，当液体最终留存在破裂压力最低的单元中时，交联固化前驱体溶液。重复以上步骤，可以实现不同材料按照破裂压由低到高的顺序沉积在不同的单位结构中。经过3步，即可生成9×9×3三材料体素结构（图3C）。

图3. 体素化多材料增材制造。

突破分辨率瓶颈：微尺度下多材料构建

如图4所示，借助双光子聚合方式打印微米级结构支架，再通过微米尺度上的毛细串级现象，可以突破传统挤出式多材料打印分辨率的限制，将体素尺寸缩小至20 μm。激光共聚焦显示该制备方法所得样品体素之间界面锐利无扩散（图4D）。

图4. 微米尺度多材料打印。

能源应用：电鳗启发水凝胶电源

如图5A，团队通过四步毛细串级构建“高浓度盐/阳离子选择性透过膜/低浓度盐/阴离子选择性透过膜/高浓度盐”四材料单元结构（丙烯酰胺基水凝胶），由于单元内部存在盐浓度梯度，离子在选择性透过水凝胶作用下进行定向迁移，可在电路中提供稳定电压。同时根据该方法制备了串联、并联结构电源，测定了其开路电压与短路电流（图5B、C），以及单一单元结构的长时间工作能力（图5D），均表现出良好的性能。