2018年9月24日《Nature Materials》在線發表了北京航空航天大學機械工程及自動化學院陳華偉教授、張德遠教授與化學學院江雷院士等的合作研究成果“Ultrafast waterharvesting and transport in hierarchical micro-channels”。該研究發現并揭示了微納結構表面上特殊高低棱結構對液體超高速收集與傳輸原理，為機械表界面的仿生設計與生物制造奠定了理論與技術基礎。陳華偉教授為第一作者，陳華偉教授、江雷院士為通訊作者，北京航空航天大學為通訊單位。

圖1 瓶子草特殊高低棱微納結構

液體高速傳輸在機械、電子與新能源等領域具有極其重要的應用價值，如何提升液體傳輸能力一直是重要研究課題。捕蟲植物的優異濕滑機制引起了研究團隊的關注，對瓶子草（學名：Sarracenia）蓋子上的細長絨毛液體收集與傳輸開展了系統研究。通過觀測發現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，其集水傳輸速度比現有的仙人掌刺、蜘蛛絲提高了三個量級。

圖2 液滴高速傳輸過程

研究團隊深入分析了絨毛的表面微觀結構特征，首次發現了特殊的高低棱多級微納溝槽結構，即相鄰高棱間分布3~5個低棱（圖1）。在此高低棱多級微納溝槽結構上，液體在表面干濕狀態下會相繼出現兩種不同的輸送模式。當多級微納表面結構處于干燥狀態時，液體傳輸主要依靠固-液接觸產生的毛細力，此時液體傳輸模式與仙人掌刺、蜘蛛絲相類似，表現為大液滴移動方式，即傳輸模式I（圖2a-c）。由于高低棱溝槽結構產生的毛細力呈梯度分布，傳輸模式I下的液體傳輸速度也不盡相同，呈現出快、慢速度梯度。而當高低棱溝槽結構潤濕后，一層穩定的水膜會維持在表面上，降低三相接觸線，避免后續液體與絨毛固體表面直接接觸，液體傳輸動力就變為液-液接觸的超滑毛細力，顯著降低后續液體傳輸阻力，加速了后續的液體傳輸，即傳輸模式II（圖2d-f）。研究團隊還通過光刻技術制造出相應的仿生微納結構（圖3），驗證了微納高低棱結構的高速液體傳輸性能，并基于Lucas-Washburn原理、Onsager原理與邊界滑移理論分別建立了兩種傳輸模式的理論模型。進一步揭示了高低棱多級微納結構參數對超高速傳輸的影響規律，提出超高速輸送高低棱結構仿生設計準則。研究成果可應用于微流體芯片、高效散熱結構、液體收集與海水淡化裝置等亟需高速液體收集與傳輸的領域。

圖3 液體超高速輸送仿生結構

該研究得到了國家自然科學基金杰青項目（51725501）、重點項目（21431009）等的資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41563-018-0171-9 來源：北京航空航天大學