本文將主要介紹生物界中相關的現象與典型結構特征，旨在為仿生特殊潤濕表面制備提供參考。文章主要分為三部分：

l Cassie與Wenzel潤濕狀態；

l 靜態潤濕狀態；

l 智能潤濕行為。

1. Cassie與Wenzel潤濕狀態

在表面潤濕性研究當中，最常接觸的就是Cassie狀態和Wenzel狀態了，從圖 1中可以看到，Cassie狀態表明液體與固體間不完全接觸，存在氣體（一般稱為“氣墊”或“氣室gas chamber”）；Wenzel狀態下液體與固體緊密接觸，界面不包含氣體。

圖 1 Cassie與Wenzel狀態示意圖

由以上公式可知，Wenzel狀態下，增加粗糙度不會改變表面親疏水性，只會使疏水表面更疏水，親水表面更親水；當處在Cassie狀態時，表觀接觸角顯著提升，更易實現超疏水狀態。

2. 靜態潤濕狀態及典型生物特征

仿生制備超疏水表面，首先要對典型生物特征進行分析，細致的觀察生物宏觀特性與微觀結構特征之間的聯系，研究相應的機理，對制備類似功能表面具有非常重要的意義。這方面的研究主要集中在2000-2010年，屬于超疏水相關早期研究。

自然界經過上億年漫長的進化過程，通過細胞的分化演化出了許多微觀上非常精密的結構，使不同生物宏觀上表現出令人著迷的現象。圖 2展示了四種典型的靜態潤濕狀態、相對應的典型生物以及對其表面進行的微米和納米級觀察。

圖 2 典型靜態潤濕狀態及相應代表性生物[1-3]

代變愛情的玫瑰熱烈而奔放，飽含水滴的花瓣在日光下折射出不同的光彩仿佛鉆石般璀璨，而這種現象，正得益于花瓣表面微米級的凸起與納米級褶皺的結合的結構特征；雨中翩翩起舞的蝴蝶，正得益于翅膀表面微米級鱗片與納米級溝槽的復合；水面行走如履平地的水黽，其秘密就在于四條腿表面存在大量的微米級剛毛及其表面更加細微的納米姐溝槽；荷葉出淤泥而不染，主要因為表面的微納復合凸起結構。

3. 智能潤濕行為及相應生物特征

經過早期對大量生物特性的研究，人們對超疏水的理解更加深入，相關研究進入了第二個階段——針對特殊潤濕現象的智能潤濕行為研究。

• 單向運輸：水稻

細心的學者發現水稻葉片存在液滴單向運輸的特性，主要是指液滴只會沿著葉片的長度方向移動，而不會在寬度方向移動。通過微觀SEM觀測，發現水稻葉片表面與和荷葉相似，都是微納復合凸起結構，只不過在寬度方向微結構不均勻分布，而在長度方向分布均勻，使得液滴在兩個方向運動阻力不同，從而實現液滴單向運輸特性，如圖 3所示。

圖 3 水稻葉片表面結構及飛秒激光仿生制備水稻葉片表面結構[4]

• 定向運輸：豬籠草

相比水稻葉片單向運輸的特性，豬籠草的特性更加讓人著迷，豬籠草內壁可以將液滴連續搬運至外壁，實現反重力搬運，該特性被稱為定向運輸。針對這一迷人的現象，北航陳華偉教授與江雷院士共同開展了相應理論和實驗研究，最終揭示了定向運輸的機理，為仿生制備奠定了堅實的基礎，該成果也于2016年被國際頂級綜合期刊《Nature》所報導[5]。

參考文獻：

1. Barthlott, W.; Neinhuis, C., Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. Planta 1997, 202 (1), 1-8.

2. Gao, X. F.; Jiang, L., Water-repellent legs of water striders. Nature 2004, 432 (7013), 36-36.

3. Li, S.; Huang, J.; Chen, Z.; Chen, G.; Lai, Y., A review on special wettability textiles: theoretical models, fabrication technologies and multifunctional applications. Journal of Materials Chemistry A 2017, 5 (1), 31-55.

4. Lu, Y.; Yu, L.; Zhang, Z.; Wu, S.; Li, G.; Wu, P.; Hu, Y.; Jiawen, L.; Chu, J.; Wu, D., Biomimetic surfaces with anisotropic sliding wetting by energy-modulation femtosecond laser irradiation for enhanced water collection. RSC Adv. 2017, 7, 11170-11179.

5. Chen, H.; Zhang, P.; Zhang, L.; Iu, H. L.; Jiang, Y.; Zhang, D.; Han, Z.; Jiang, L., Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata. Nature 2016, 532 (7597), 85-+.

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