科学家“师法自然”发现高效集水新结构
结构表面上液体的高速传输在机械子、能源与医疗等工业领域有着重要的应用价值。北京航空航天大学陈华伟教授和中国科学院院士江雷团队合作研究，揭示了微纳结构表面上特殊高低棱结构对液体超高速收集与传输的作用规律，为机械表界面的仿生设计与制造奠定了理论与技术基础。相关成果于9月24日在线发表在《自然-材料》上。
自然界中，一些动植物具有非凡的输水特性，这得益于它们在微尺度和纳米尺度上独特的表面结构。比如，具有周期性纺锤节结构的蜘蛛丝，输水能力很高（~30 μm s–1）；仙人掌刺上的梯度沟槽结构，也可高效集水（~12 μm s–1）。受自然界物种的启发，科学家们已经开发了很多仿生微纳器件用于水的传输和收集，但速率都限制在21 μm s–1。
“以湿滑防粘、高效集水为目的，必须选择湿润环境中具有这种优异功能的生物原型，瓶子草正好具有这种特性。”论文第一作者、通讯作者陈华伟在接受《中国科学报》记者采访时表示。
瓶子草绒毛表面具有特殊高低棱微纳结构特征、尺度小，且界面现象受多场影响。如何揭示其动态界面行为机制，并建立其基本理论模型是创新的关键。
研究团队对瓶子草表面细长绒毛液体收集与传输开展了系统研究。通过观测发现，瓶子草绒毛通过收集空气中的潮湿水气来维持表面的湿滑特性。因结构为微纳多尺度，且液体传输是延续不断的动态过程，实验过程历经“周折”。
“液体太‘自由’，不会听从我们的命令”，陈华伟告诉记者，只有前期形成稳定液膜后，后续液体才能实现超高速传输。为揭示液体传输并非生活中常见的液体扩散现象，他们尝试用不同荧光粒子来分层显色，揭示超高速传输机制。
他们深入分析了绒毛的表面微观结构特征，首次发现了其具有特殊的高低棱多级微纳沟槽结构，即相邻高棱间分布3-5个低棱。研究发现，在此结构上，液体传输效率受表面干、湿两种状态所支配。当处于干燥状态时，液体传输主要依靠呈梯度分布状的毛细力，传输速度也呈现出快、慢速度梯度；而当表面湿润后，液体传输变为液体滑移，后续液体传输阻力会明显下降，传输速度得到显著提升。
“与典型的液体收集与传输模式相比，该特殊结构的传输速度提升了3个数量级，即1000倍。”陈华伟说，表面湿滑防粘、高效集水等是工业领域中极为重要的表面功能要求，该研究为湿滑表面、高效集水与传热结构设计提供了新思路，且在机械子、精准医疗、高效散热以及海水淡化等方面具有重要应用前景。
DOI：https://doi.org/10.1038/s41563-018-0171-9
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