自發定向的流體輸運過程是動植物實現高效低耗行為的關鍵之一。例如，沙漠中的德克薩斯角蜥能夠利用微尺度排列的鱗片通道主動吸水。豬籠草能夠將潤滑劑自發運輸到瓶口，形成光滑的捕蟲界面。向自然界學習，生物啟發的流體操控界面被廣泛應用于液體收集，多相催化等領域。通過將超親水表面與折疊結構相整合，南開大學材料科學與工程學院曹墨源課題組仿生構筑了具有雙不對稱結構的仿貝殼狀超親水開放通道（圖1）。所制備的三維雙不對稱結構的液體通道僅通過毛細力就可以主動捕獲包括液滴，大通量液流以及中高溫蒸汽在內的多種液體，實現不依賴重力的液體輸運和收集。借助仿生雙不對稱結構和超親水基底，通道的液體輸送能力也得到了極大地提高。此外，將該材料與輻射制冷層進一步結合，研究者設計了一種能夠定向收集液體以及輻射制冷的冷凝器，證明了材料的可集成性和多功能性。相關研究論文近期發表于Advanced Materials (2023, 2211596)。
圖1：仿貝殼狀超親水折疊通道（S-SLO）的設計思路以及獨特的流體輸運過程。（a）S-SLO優秀的流體輸運性能。（b）S-SLO的液滴定向輸運過程，液滴在不對稱折疊通道的寬的一端不斷滴加，被通道捕獲并定向輸運到窄端。（c，d）S-SLO的設計方法以及不同表面流體輸運過程差異。
圖2：平行超親水折疊通道中的液滴逆重力輸運。（a）超親水通道中的雙向鋪展。（b）未處理的通道無法實現液體鋪展。（c，d）液體在超親水表面中逆重力鋪展的機理。
圖3：流體在S-SLO內的定向輸運。（a）仿貝殼狀超親水折疊通道（S-SLO）能夠引導液體定向輸運到扇形的窄端被收集，而平行超親水折疊通道則不具備這種能力。（b，c）液體在S-SLO內定向輸運的機理。（d）不同深度和噴射模式下S-SLO的最大臨界通量。（e）不同工作中液體輸送通量和初始速度的比較。
圖4：蒸汽在S-SLO表面的冷凝性能。（a）捕獲的冷凝水會在平行通道上隨機滴落，在S-SLO的窄端定點滴落（b）。在引入液體收集器后，捕獲的液滴仍然會在平行通道上隨機滴落（c），但是能夠在S-SLO中被全部收集（d）。（e，f）溝道中存水對冷凝效率的影響。
為進一步驗證S-SLO的可整合性，研究人員在蒸汽冷凝的基礎上在材料上表面修飾了超疏水ZrC/PDMS涂層，通過熱輻射的方式進一步增強表面散熱能力，提升冷凝效率。通過對比冷凝水的收集效率表明了這種多層次S-SLO結構在收集蒸汽上具有潛在應用價值。本項工作旨在設計具有連續自發、高適應性、可靠輸運能力的流體操控界面，希望為蒸汽收集、流體輸運、節能減排等領域的發展提供新思路。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202211596
- 廈門大學曹學正教授 Macromolecules：高強高黏超流體動態高分子網絡的仿生設計及跨尺度流變理論模擬揭秘 2025-07-03
- 太原理工大學張虎林教授 Adv. Sci.: 熱電凝膠賦能仿生多模自監督指尖受體 2025-07-02
- 西南大學康燕堂/徐立群/徐琨 Adv. Mater.：空心普魯士藍納米框架仿生增強梯度抗菌涂層 2025-07-01
- 鄭州大學王建峰/王萬杰 Small/Nano Energy：熔融加工一步原位成型分級多孔聚合物納米復合材料實現高溫環境輻射制冷 2025-03-30
- 陸軍裝甲兵學院張勇等 ACHM 綜述：先進被動日間輻射制冷 - 從材料選擇和結構設計到多功能集成化應用 2025-01-03
- 理化所李明珠/江雷團隊、化學所宋延林團隊 Matter：受金龜子啟發的高亮度彩色日間輻射制冷薄膜 2024-11-17
