定向液體輸運技術在微流控、水資源管理和能源采集等領域具有廣泛應用前景，但主流材料多依賴復雜微納加工或高成本合成方法，制備過程能耗大、可持續(xù)性差，且在實際環(huán)境中往往難以兼顧高效輸運與結構穩(wěn)定性。特別是多數(shù)仿生表面僅單一借助幾何結構或潤濕梯度驅動，無法在重力或傾斜條件下保持高效和連續(xù)的液體傳輸，嚴重限制其在現(xiàn)實環(huán)境下的應用擴展。
針對上述挑戰(zhàn)，南京林業(yè)大學呂建雄研究員與多倫多大學顏寧教授團隊受仙人掌刺和沙漠甲蟲等自然結構啟發(fā)，提出一種創(chuàng)新性的仿生設計策略：利用木材天然的各向異性和多孔網(wǎng)絡，構建楔形結構并通過TiO2修飾與紫外誘導手段實現(xiàn)表面梯度潤濕性調控，從而在不依賴復雜加工的前提下，賦予木材優(yōu)異的定向液體輸運能力。該梯度潤濕楔形表面在水平方向上實現(xiàn)高達8.9 mm/s的液體遷移速率，在垂直逆重力條件下亦可穩(wěn)定輸運，顯示出拉普拉斯壓力與表面能梯度的協(xié)同增強效應。進一步結合仿仙人掌刺的霧滴捕獲結構，團隊構建了可自復位的霧驅動裝置，實現(xiàn)了水滴捕獲—輸運—釋放—能量轉化的高效耦合，為大氣水收集與環(huán)境能利用提供了低碳、綠色的解決方案。本研究不僅拓展了天然材料在液體調控領域的應用邊界，也為仿生功能表面設計提供了可持續(xù)的技術路徑。
該論文以題為“Bioinspired Wood-Based Wedge-Shaped Surface with Gradient Wettability for Enhanced Directional Liquid Transport and Fog Harvesting”發(fā)表在《Materials Horizons》上。南京林業(yè)大學陳凱文為第一作者。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、加拿大自然科學與工程研究委員會的資助。
圖1. 梯度潤濕楔形木的制備工藝。
圖2. 樣品的形貌和結構。（a）樣品表面的數(shù)字照片和3D輪廓;（B）橫截面和縱截面顯微結構的SEM圖像。
圖3. （a）三種梯度潤濕性楔形木材樣品的制備工藝。（b）HWW的微觀結構和成分分布。（c）G1-GWW、G2-GWW和G3-GWW自然陽光暴露7天前后接觸角分布的比較.
圖4. （a）接觸角測角器快照，顯示水滴在三個梯度潤濕楔形木材表面（GWWs）上的定向運動，楔形角度相同為91 °。（B）水滴在相同三個GWWs上傳輸?shù)墓鈱W相機圖像。（c）水滴在三個GWWs上具有不同初始體積的平均傳輸速度。（d）水在三個GWWs上遷移的數(shù)值模擬（楔角= 91）。(e)說明水平定向GWW表面上的液滴遷移機制的示意圖。
圖5. 視頻快照顯示了具有三種不同楔角的G3-GWW樣品上的定向液滴傳輸，（a）傾斜視圖和（b）側視圖捕獲。（c）具有不同楔角的G3-GWW樣品上具有不同體積的液滴的最終傳輸距離。（d）具有不同楔角的G3-GWW樣品上具有不同體積的液滴的平均傳輸速度。
圖6. （a）不同傾角下G3-GWW（楔角：91）上定向液滴傳輸?shù)囊曨l快照。（B）不同傾角下G3-GWW（楔角：91）上不同體積液滴的平均傳輸速度。（c）傾斜G3-GWW上液滴傳輸?shù)臋C制。
圖7. (a)霧驅動動力裝置的組成和潛在應用。（b）霧驅動動力裝置工作過程的示意圖。（c）霧驅動動力裝置在人工引入水滴下的操作。（d）霧驅動動力裝置在模擬霧環(huán)境中的操作。
本研究介紹了一種具有梯度潤濕性的生物啟發(fā)楔形木材表面，從而實現(xiàn)有效和可控的自發(fā)定向液體傳輸。通過仔細利用木材的天然各向異性結構，并通過精確的化學和光化學改性引入梯度潤濕性，所得木材表面表現(xiàn)出拉普拉斯壓力和表面能梯度的協(xié)同效應。特別是，這些特征促進了在水平和傾斜條件下的出色的液體輸送性能，在水平表面上表現(xiàn)出高達8.9mm s-1的輸送速率，在垂直表面上克服重力向上表現(xiàn)出0.64mm s-1的輸送速率。此外，該系統(tǒng)在霧驅動動力裝置中的應用，突出了其在水資源管理和能量轉換方面的巨大潛力。在10個連續(xù)循環(huán)中，該裝置每30秒持續(xù)分離重約100mg的液滴，驗證了其可靠性和穩(wěn)定性。值得注意的是，這項工作不僅為開發(fā)生物啟發(fā)的液體管理表面提供了一種可擴展的方法，而且還通過利用木材為合成材料提供了一種可持續(xù)的替代品。作為一種可再生和可生物降解的自然資源，木材具有相當大的環(huán)境效益，例如減少對石油基合成材料的依賴，減少環(huán)境足跡，并增強可持續(xù)性。加工方法的簡單性和成本效益使這種基于木材的設計易于擴展到現(xiàn)實世界的應用，包括戶外霧收集設施和可持續(xù)液體管理系統(tǒng)。此外，幾何設計和表面功能的集成為微流體、環(huán)境工程、在這種情況下，未來的研究可以集中在進一步優(yōu)化不同液體和環(huán)境條件下的梯度控制，以及增強木質表面的耐用性，響應性和多功能性。
原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D5MH00440C
