附著在水下固體表面微結(jié)構(gòu)上的液氣界面具有減小流動(dòng)阻力、防止化學(xué)腐蝕、防止生物粘附等諸多優(yōu)良特性，在水下航行體、管道流體運(yùn)輸、化工等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。在自然界中，很多水生動(dòng)植物通過在其表面微結(jié)構(gòu)上附著液氣界面，維持水下呼吸和光合等生命過程的進(jìn)行。“師法自然”，通過研究水生生物表面微結(jié)構(gòu)與液氣界面的相互作用機(jī)理，仿生設(shè)計(jì)和制造出水下穩(wěn)定的固液氣界面具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。
北京大學(xué)工學(xué)院段慧玲教授課題組通過研究具有極強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力的水生蕨類植物——槐葉萍（圖1a），發(fā)現(xiàn)其表面特殊微結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的穩(wěn)定液氣界面能力（圖1b）；通過仿生學(xué)原理與穩(wěn)定性分析，揭示了槐葉萍表面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則（圖1c）與其表面氣層穩(wěn)定性的力學(xué)機(jī)制（圖1d）；通過3D打印技術(shù)，制造了人工仿生槐葉萍表面（圖1e），完全實(shí)現(xiàn)了天然槐葉萍的穩(wěn)定液氣界面的功能（圖1f）。該研究成果于2月4日以封面文章形式刊登在《美國科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上（圖2），題為“Superrepellency of underwater hierarchical structures on Salvinia leaf”。
圖 1. (a), (b) 天然槐葉萍與槐葉萍表面附著的液氣界面，(c), (d) 天然槐葉萍表面微觀結(jié)構(gòu)與液氣界面穩(wěn)定性機(jī)理，(e), (f) 仿生制造槐葉萍表面微觀結(jié)構(gòu)與液氣界面
水下固液氣界面在大壓強(qiáng)、高流速，以及氣體擴(kuò)散等因素的影響下，易發(fā)生失穩(wěn)甚至消失，這嚴(yán)重影響了水下生物的生存條件以及固液氣界面的工程應(yīng)用。研究水下固液氣界面穩(wěn)定性機(jī)制，研制穩(wěn)定性高的水下固液氣界面材料和結(jié)構(gòu)是該領(lǐng)域最重要的基礎(chǔ)研究課題之一。 段慧玲教授課題組通過研究槐葉萍表面的微結(jié)構(gòu)及其水下固液氣界面力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)了一種新的水下固液氣界面穩(wěn)定性機(jī)理，這歸因于其特殊的表面微結(jié)構(gòu)（圖1c）。繼而，基于仿生學(xué)原理及力學(xué)設(shè)計(jì)理論，利用3D打印技術(shù)制造了人工仿生槐葉萍表面（圖1e），為固液氣界面設(shè)計(jì)制造提供了新的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和研究方法。本研究對固液氣界面在水下，尤其是大水深、高壓強(qiáng)等極端環(huán)境下的應(yīng)用提供了新的設(shè)計(jì)思路。
圖 2. 《美國科學(xué)院院刊》2020年第5期封面
（https://www.pnas.org/content/117/5.cover-expansion）
段慧玲教授課題組過去多年一直致力于水下固液氣界面力學(xué)研究，并取得了一系列成果 (Extreme Mech. Lett. 27, 34, 2019; Phys. Rev. Lett. 119, 134501, 2017; Phys. Fluids 29, 032001, 2017; Phys. Rev. Lett. 112, 196101, 2014.)。此外，在國際應(yīng)用力學(xué)權(quán)威綜述期刊應(yīng)邀發(fā)表綜述論文(Appl. Mech. Rev. 68, 030803, 2016)，并獲得美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)The Lloyd Hamilton Donnell Applied Mechanics Reviews Paper Award (2016)。
段慧玲教授課題組相耀磊博士為本論文第一作者，段慧玲教授為本文通訊作者。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金的支持。
