Chemical Engineering Journal | 用于液滴操控的仿生磁响应水凝胶微孔阵列

油滴和气泡的水下操作通常受限于界面张力和流体阻力低，这使得现有被动策略难以实现对这些物体的按需且精准控制。本研究通过3D打印模板辅助水凝胶冻融交联策略制造出受鲨鱼皮启发的磁响应PVA水凝胶微板阵列（SS-MPHMA），具有微沟槽结构，实现了对水下油滴和气泡的精确操控，以响应动态磁场。通过结合实验表征与ANSYS/COMSOL模拟，系统性研究了Fe₃O₄含量、微板高度、微板厚度及板间距对结构强度、磁驱动行为、水下润湿性及油滴附着的影响。优化后的SS-MPHMA表现出良好的机械稳定性、磁响应性以及水下超疏油/超畏气特性。在移动磁场下，微板阵列能够通过连续方向推动稳定地输送重油滴、轻油滴和气泡，油滴体积可达30微升，最大运输速度为40毫米秒−1.此外，SS-MPHMA还通过精确的气泡操作实现水下电路的可逆切换。此外，由于水凝胶的强吸水能力和磁驱动振荡，SS-MPHMA实现了空气中主动雾化，最大收集水效率约为400毫克厘米−2h−1.这项工作为构建低附着力和磁响应的水下多相操作接口提供了新策略，并展示了在微流控、水下感测开关和大气水收集中的潜在应用。

该研究以题为“Bioinspired magnetic-responsive hydrogel microplate array for droplet manipulation”发表在Chemical Engineering Journal上。

图1

（a） SS-MPHMA制造工艺的示意图。（b） 水下电路在开闭状态之间切换。（c）雾收集过程示意图。

图2

（a–c）PVA、PVA@Fe₃O₄和PVA@Fe₃O₄@SS微板阵列的SEM图像。（d） PVA@Fe₃O₄@SS的三维表面地形。（e） 俯视图图像及对应的高度轮廓。（f）生物仿生鲨鱼皮肤微观结构的正面图像和横断面剖面图。

图3

（a）不同Fe₃O₄含量的PVA水凝胶的拉伸应力-应变曲线。（b）不同Fe₃O₄含量的水凝胶VSM。（c） 微板弯曲角的示意图。（d） ANSYS结构力学模拟微板在直立和弯曲状态下的模型。

图4

（a） COMSOL模拟的永久磁通线分布。（b，c）微板阵列在100和120 mT的表面地形。（d） 弯曲角随微板高度和磁通密度的函数，W = 0.4 mm。（e） 弯曲角随微板宽度和磁通密度的函数，H = 2.5 mm。（f） 弯曲角随微板宽度和高度变化的总结，B = 120 mT。（g）微板阵列从弯曲状态恢复到直立状态的时间。（h） SS-MPHMA在反复磁作用下含有20 wt% Fe₃O₄的循环弯曲稳定性。（d–h）中的数据以三个独立测量（n=3）±平均标准差（SD）表示。

图5

（a） PVA、PVA@Fe₃O₄和PVA@Fe₃O₄@SS水下的湿润性示意图。（b） 板间距对水下油滴附着力的影响。（c） 二氯甲烷在板间距下的水下油接触角和滚转角。（d） n-己烷的水下油接触角和滚转角随板间距变化。（e）微板阵列在水下与不同油滴之间的疏油接触。（f）与代表性文献进行综合性能比较。（g） 板间距对水下油滴穿透和表观接触角的影响。（b–e）中的数据以平均值表示 ± 标准差（n = 3）。

总结

参考文献：

DOI: 10.1016/j.cej.2026.181985

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