設(shè)計并驅(qū)動微納米結(jié)構(gòu)表面實現(xiàn)物體的定向輸運(yùn)在微電子、生物醫(yī)藥及防污自清潔等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，提高定向輸運(yùn)的速度能進(jìn)一步提高輸運(yùn)效率。此外，通過對微結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式的創(chuàng)新性設(shè)計，實現(xiàn)對多種不同形狀的物體在不同環(huán)境中的定向輸運(yùn)也具有重要意義。

近日，北京理工大學(xué)*結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院陳少華教授課題組提出了一種通過磁場控制微結(jié)構(gòu)表面快速輸運(yùn)固體物塊的方法。該方法能夠?qū)迕准壍墓腆w物塊進(jìn)行快速定向輸運(yùn)，其輸運(yùn)速率相對于已有文獻(xiàn)中的輸運(yùn)速率有大幅度的提升。微結(jié)構(gòu)表面主要由磁響應(yīng)微板陣列結(jié)構(gòu)和純PDMS基底組成，單個微板高度為950微米，厚度為150微米。該研究結(jié)合微尺度3D打印技術(shù)制備實驗樣件，所使用的3D打印設(shè)備（nanoArch S140，摩方精密）的光學(xué)精度為10μm，能實現(xiàn)94×52×45mm大小的三維加工尺寸。基于該設(shè)備加工了板狀微結(jié)構(gòu)陣列，并通過倒模制備出含有磁顆粒的PDMS微結(jié)構(gòu)試樣，然后通過磁場控制微結(jié)構(gòu)的變形儲能以及能量的快速釋放，實現(xiàn)定向輸運(yùn)的功能。該成果以“Directional Transportation on Microplate-Arrayed Surfaces Driven via a Magnetic Field"為題發(fā)表于國際期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。該工作由北京理工大學(xué)*結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院李程浩博士作為第一作者完成。

圖1.微結(jié)構(gòu)制備及實驗裝置示意圖

圖2.固體物塊定向輸運(yùn)及驅(qū)動過程分析

圖3.通過磁場控制微結(jié)構(gòu)表面實現(xiàn)不同形狀物體的定向輸運(yùn)，及不同重量物體的篩選分離（空氣環(huán)境和水下）

    該研究提出了一種通過磁場控制微結(jié)構(gòu)表面快速輸運(yùn)固體物塊的方法，并揭示了輸運(yùn)機(jī)理：通過磁場控制微結(jié)構(gòu)變形儲存彈性能，然后通過控制微結(jié)構(gòu)逐個回彈，使得儲存在微結(jié)構(gòu)中的彈性能依次快速釋放，并驅(qū)動物體連續(xù)向前運(yùn)動，以此實現(xiàn)固體物塊的快速定向輸運(yùn)。此方法具有廣泛的適用性，能夠在空氣和水環(huán)境中同時輸運(yùn)不同形狀的物塊，且能夠較好控制輸運(yùn)速度，對于更加智能甚至編程化的定向輸運(yùn)技術(shù)具有重要意義。