基于非对称三维结构的超精密加工与纳米颗粒浸渍涂层实现液滴无外力定向流动

（编辑推荐）本研究通过超精密加工（ultra-precision machining）结合TiO2纳米颗粒浸渍涂层（dip coating），构建非对称三维结构，实现液滴无外力（external energy-free）定向流动。优化几何参数（15°倾角、10 μm间距、15 μm台阶高度）后，超疏水表面（superhydrophobic surface）最小化粘附力，而选择性亲水修饰（hydrophilic modification）引导液滴沿预设路径运动，为自清洁材料、微流控（microfluidics）及抗结冰系统提供新策略。

　　

Highlight

本研究提出了一种无需外部能量的非对称三维图案化结构，通过超精密加工（ultra-precision machining）、沸水处理（boiling treatment）和二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒浸渍涂层（dip coating）增强疏水性。实验证实，在15°倾角（tilt angle, TA）、10 μm间距（pattern pitch, RH）和15 μm台阶高度（step height, SH）条件下，结构非对称性引导液滴定向反弹，而超疏水表面（contact angle >150°）减少粘附并支持连续运动。选择性亲水修饰进一步实现液滴沿多向路径的精准输运，为水收集（water harvesting）和被动液滴传输（passive droplet transport）提供应用潜力。

Fabrication processes

采用纳米级定位电机（L-509, PI GmbH）和聚晶金刚石刀具（nose radius 500 μm及1 μm）对铝板（Al5052）进行超精密加工，加工区域为10 mm×10 mm。

Effect of RH (pattern pitch) regarding hydrophobicity with different TAs on flat asymmetric patterns

通过分析不同TA和RH对接触角的影响，发现TA变化对液滴运动的调控作用显著强于RH。10 μm间距和15°倾角的组合展现出最优的疏水性能（contact angle 162°±3°）和定向流动性。

Conclusion

非对称三维结构通过几何参数优化实现了液滴无外力定向流动，结合超疏水/亲水图案化设计，为微流控、自清洁和抗结冰系统提供了可扩展的节能解决方案。

Author Statement

Jin Ho Park：实验设计与论文撰写；Seung Woo Yoo：数据可视化与分析方法；Hae-Sung Yoon：课题构思与资金支持。

CRediT authorship contribution statement

Jin Ho Park：实验验证与论文修订；Seung Woo Yoo：数据采集与图表设计；Hae-Sung Yoon：项目统筹与资源协调。