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PRL: 千手泰勒锥

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  泰勒锥(Taylor cone)是由液体在电场下加速、收缩形成,末端非常尖锐。从锥尖喷射出的是微纳尺度的液体射流,直径可以小至纳米甚至原子级。泰勒锥曾让许多科学大师为之着迷,包括Lord Rayleigh, Geoffrey Taylor (算出锥角并由此得名)和John Fenn(诺贝尔化学奖得主),其中一个重要原因是泰勒锥能轻松华丽地完成从毫米尺度到纳米尺度的跨越。例如,泰勒锥可以实现突破传统喷墨打印分辨率极限的喷印制造,可以通过雾化干燥制备粒度均一的纳米药物颗粒,可以形成静电纺丝方便地获得纳米纤维。

  

  尽管泰勒锥的应用潜力巨大,仍有一个问题长期困扰研究人员,那就是如何增加泰勒锥的数目以提高产量。传统的泰勒锥的产生都是以毛细管作为喷嘴,因此最直接的方式是加工微喷嘴阵列,但是其加工复杂,容易堵塞,重复性、可靠性欠佳。

  近日,《物理评论快报》(Physical Review Letters) 发表一篇以“Massively Multiplexed Electrohydrodynamic Tip Streaming From a Thin Disc”为题的论文,采用一个圆片作为供液系统,在指甲盖大小的面积成功实现了上千个泰勒锥。

  

  与传统的毛细管供液产生的泰勒锥相比,基于圆片的泰勒锥具有“准、稳、多”的优势。“准”是指由圆片产生的泰勒锥们所生成的微小射流和液滴具有高度的单分散性。“稳”则是指圆片产生的泰勒锥具有极高的可控性。随着电压的升高泰勒锥的数目迅速增多,并与电压的平方成线性关系。“多”是指圆片结构天然有助于产生大量的泰勒锥,因为圆片兼具较大的周长(厘米级)和极薄的边缘(几微米):尖锐边缘诱发的强电场提供较大的电应力,使得泰勒锥之间的间距变小;较大的周长则为大量泰勒锥共存提供了空间。实验表明,直径为10毫米,厚度为10微米的不锈钢圆盘,其产生的泰勒锥数目可超过1000个。

  

  射流数目随着电压增大而迅速增多

  “圆片方法可以将泰勒锥的产量提高三个数量级,这是相当可观的。比如制备500 nm的药物缓释颗粒,采用圆片方式我们只需要三个小时就可以完成单个泰勒锥一年的产量,”论文第一作者王志备说,“此外,圆片结构也可以用于静电纺丝。由于没有采用毛细管,因此天然地避开了喷嘴堵塞的难题。”

  

  基于圆片的静电纺丝

  由于这项工作的“particular importance, innovation, and broad appeal (特别的重要性,创新性和能引起广泛兴趣)”,文章被选为PRL编辑推荐(Editors' Suggestion)。PRL稿件录用率低于25%, 而录用稿件中只有1/7被选为“编辑推荐”。

  

  南方科技大学力学与航空航天工程系为本文第一单位,博士生王志备为第一作者,本科生田逸和张楚唯为共同作者,邓巍巍教授为通讯作者。此项研究得到了国家自然科学基金和南科大软物质与复杂流动研究所的支持。

  https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.064502

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