列日大學利用3D打印通過表面張力雕刻出可控液體浮雕景觀

2025年6月19日，南極熊獲悉，比利時列日大學（University of Liege）GRASP實驗室與布朗大學合作，開發(fā)了一種利用3D打印錐形棘狀結(jié)構(gòu)和表面張力來塑造水面的方法。通過精心排列這些結(jié)構(gòu)，研究人員將單個“彎月面”組合成更大的液體浮雕，使它能夠在重力作用下引導顆粒。

這項實驗展示了利用定制的3D打印棘柱結(jié)構(gòu)操控液體界面以實現(xiàn)對漂浮物體的三維操控。通過精確設(shè)計棘柱的幾何形狀，可以在液體表面創(chuàng)建特定的高度梯度，從而引導和控制微小固體或液體顆粒沿著預定的路徑移動。這一創(chuàng)新為微觀顆粒運輸、分揀以及海洋污染控制等領(lǐng)域帶來了全新解決方案。

△相關(guān)研究已發(fā)表在《自然通訊》期刊，題目為“用于可編程液體形貌和微操作的3D打印棘柱”（傳送門）

可編程特定液體形貌

毛細作用是由液體表面張力驅(qū)動的自然現(xiàn)象，常在液體邊緣形成微妙的曲率，稱為“彎月面”。如果將多個彎月面堆疊起來，塑造成復雜、動態(tài)的液體地形，會怎樣？研究團隊以此為基礎(chǔ)，首次實現(xiàn)了多個彎月面的集成和協(xié)同，通過精密排列的3D打印尖峰陣列，將單個彎月面“疊加”，進而塑造出復雜且可控的液體浮雕地形。通過調(diào)節(jié)棘狀結(jié)構(gòu)的高度和間距，團隊成功構(gòu)建了可編程的液體表面景觀，并以液體形式重現(xiàn)了布魯塞爾地標原子球塔。

△面圍繞錐形棘狀結(jié)構(gòu)形成的形狀，展現(xiàn)了液體如何在這些棘狀結(jié)構(gòu)之間彎曲上升

項目負責人Megan Delens博士表示：“每個尖峰都會在周圍形成獨特的彎月面。通過精確排列和緊密布局，我們能夠?qū)⑦@些效應融合，形成大尺度的動態(tài)液體地形�！�

Nicolas Vandewalle教授指出：“這種方法為移動和分揀微小漂浮物體（如彈珠、水滴、塑料顆粒等）提供了全新路徑”。本項技術(shù)不僅具有視覺沖擊力，更在功能性應用上展現(xiàn)出巨大潛力。借助液體表面的可編程地形，研究人員實現(xiàn)了無需外部能量輸入的漂浮顆粒自動分揀。隨著水面傾斜，物體會依據(jù)自身質(zhì)量自然分離，實現(xiàn)高效、被動的微觀運輸和分類。

△通過單獨修改每個棘柱，液體表面不再保持平坦，而是形成了一種“程序化”的液體景觀

總的來說，研究人員利用毛細管力來精確操控微流體系統(tǒng)中的液體界面，從而實現(xiàn)對漂浮物體的精細控制。這種技術(shù)不依賴于傳統(tǒng)的泵或馬達等動力裝置，而是通過設(shè)計特定的3D打印棘柱結(jié)構(gòu)來操控液體界面，利用毛細管彎月面的疊加效應。這為微流體技術(shù)、污染控制以及液體機器人技術(shù)等領(lǐng)域開辟了新的可能性，為實現(xiàn)更高效、更精確的液體操控提供了新的手段。

最后，研究人員的目標是實現(xiàn)液體表面形狀的動態(tài)、可編程調(diào)控。展望未來，研究團隊計劃引入對磁場敏感或可變形材料，使尖峰陣列具備動態(tài)響應能力，從而實現(xiàn)對液體表面的實時控制。