結(jié)構(gòu)表面上液體的高速傳輸在機(jī)械電子、能源與醫(yī)療等工業(yè)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。北京航空航天大學(xué)陳華偉教授和中國科學(xué)院院士江雷團(tuán)隊合作研究，揭示了微納結(jié)構(gòu)表面上特殊高低棱結(jié)構(gòu)對液體超高速收集與傳輸?shù)淖饔靡?guī)律，為機(jī)械表界面的仿生設(shè)計與制造奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)成果于9月24日在線發(fā)表在《自然-材料》上。

自然界中，一些動植物具有非凡的輸水特性，這得益于它們在微尺度和納米尺度上獨(dú)特的表面結(jié)構(gòu)。比如，具有周期性紡錘節(jié)結(jié)構(gòu)的蜘蛛絲，輸水能力很高（~30 μm s–1）；仙人掌刺上的梯度溝槽結(jié)構(gòu)，也可高效集水（~12 μm s–1）。受自然界物種的啟發(fā)，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)了很多仿生微納器件用于水的傳輸和收集，但速率都限制在21 μm s–1。

“以濕滑防粘、高效集水為目的，必須選擇濕潤環(huán)境中具有這種優(yōu)異功能的生物原型，瓶子草正好具有這種特性。”論文第一作者、通訊作者陳華偉在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時表示。

瓶子草絨毛表面具有特殊高低棱微納結(jié)構(gòu)特征、尺度小，且界面現(xiàn)象受多場影響。如何揭示其動態(tài)界面行為機(jī)制，并建立其基本理論模型是創(chuàng)新的關(guān)鍵。

研究團(tuán)隊對瓶子草表面細(xì)長絨毛液體收集與傳輸開展了系統(tǒng)研究。通過觀測發(fā)現(xiàn)，瓶子草絨毛通過收集空氣中的潮濕水氣來維持表面的濕滑特性。因結(jié)構(gòu)為微納多尺度，且液體傳輸是延續(xù)不斷的動態(tài)過程，實(shí)驗過程歷經(jīng)“周折”。

“液體太‘自由’，不會聽從我們的命令”，陳華偉告訴記者，只有前期形成穩(wěn)定液膜后，后續(xù)液體才能實(shí)現(xiàn)超高速傳輸。為揭示液體傳輸并非生活中常見的液體擴(kuò)散現(xiàn)象，他們嘗試用不同熒光粒子來分層顯色，揭示超高速傳輸機(jī)制。

他們深入分析了絨毛的表面微觀結(jié)構(gòu)特征，首次發(fā)現(xiàn)了其具有特殊的高低棱多級微納溝槽結(jié)構(gòu)，即相鄰高棱間分布3-5個低棱。研究發(fā)現(xiàn)，在此結(jié)構(gòu)上，液體傳輸效率受表面干、濕兩種狀態(tài)所支配。當(dāng)處于干燥狀態(tài)時，液體傳輸主要依靠呈梯度分布狀的毛細(xì)力，傳輸速度也呈現(xiàn)出快、慢速度梯度；而當(dāng)表面濕潤后，液體傳輸變?yōu)橐后w滑移，后續(xù)液體傳輸阻力會明顯下降，傳輸速度得到顯著提升。

“與典型的液體收集與傳輸模式相比，該特殊結(jié)構(gòu)的傳輸速度提升了3個數(shù)量級，即1000倍。”陳華偉說，表面濕滑防粘、高效集水等是工業(yè)領(lǐng)域中極為重要的表面功能要求，該研究為濕滑表面、高效集水與傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新思路，且在機(jī)械電子、精準(zhǔn)醫(yī)療、高效散熱以及海水淡化等方面具有重要應(yīng)用前景。

DOI：https://doi.org/10.1038/s41563-018-0171-9