中国毛笔:“秋毫”可控输运液体的秘密
2015-01-20




化学与环境学院刘欢副教授研究团队最近揭示了毛笔可控输运液体的奥秘:为什么毛笔是由动物的新生毛发制成?研究发现毛笔对墨水的可控操控是由于其新生毛发特有的各向异性多尺度结构造成的。
受此启发,研究人员设计了一个由平行毛发组成的印刷工具,可做到无模板直接印刷有机/无机功能微米线。

在自然界中,各种各向的一维纤维系统是生物体的重要组成部分,表现出独特的动态浸润性能,从而使得生物体能够更好的适应环境。然而,通过开放的纤维系统对液体进行可控输运的例子却鲜有报道。

毛笔,以动物秋毫制备的一种传统的中国书写工具,被列为“文房四宝”之一。毛笔的一个显著特征是能够实现可控操控低粘度的液体(墨水)。蘸墨时,大量的墨水可以有效的储存在毛笔内部,形成饱满的储液池;而一旦和纸接触,毛笔中的墨水又可以稳定、均匀而且连续的传递到纸上,形成可控的墨迹。因此,数千年来,毛笔一直被一代代的东方国家的人们用来书写和绘画,在文化交流中发挥着极其重要的作用。然后,毛笔可控输运液体的内在物理化学机制一直未被揭示。

最近,我校化学与环境学院仿生智能界面科学与技术教育部重点实验室刘欢副教授科研团队在液体可控输方面取得重要进展,该研究结果发表在材料领域顶尖杂志《先进材料》上(Adv. Mater. 2014, 2014, 26, 4889-4894)。研究人员发现毛笔可控输运液体的秘密在于新生动物毛发的独特的各向异性多尺度结构:新生毛发具有直径渐变的锥形结构,且表面覆盖有梯度排列的定向结构。这一独特结构导致了液体可以在毛笔表面自其尖端向粗端自发运动,最终在拉普拉斯力、各向异性粘附力和重力的综合作用下,液体在毛笔内部受力平衡,从而使得毛笔可以大量储存墨水,并实现可控输运。

受此启发,研究人员以新生毛发为结构单元,构筑了一种新型的书写工具。该工具可实现直接将有机/无机液体材料书写为分辨率达10微米、厚度在纳米尺度内可控的微米线图案化表面。中国毛笔的这种可控液体输运性能的揭示将给有机/无机功能器件的无模板印刷提供新的思路。