自發(fā)定向的流體輸運過程是動植物實現(xiàn)高效低耗行為的關(guān)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?qū)櫥瑒┳园l(fā)運輸?shù)狡靠冢纬晒饣牟断x界面。向自然界學(xué)習(xí)，生物啟發(fā)的流體操控界面被廣泛應(yīng)用于液體收集，多相催化等領(lǐng)域。通過將超親水表面與折疊結(jié)構(gòu)相整合，南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院曹墨源課題組仿生構(gòu)筑了具有雙不對稱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)的多種液體，實現(xiàn)不依賴重力的液體輸運和收集。借助仿生雙不對稱結(jié)構(gòu)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(jié)合，研究者設(shè)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(guān)研究論文近期發(fā)表于Advanced Materials (2023, 2211596)。
圖1：仿貝殼狀超親水折疊通道（S-SLO）的設(shè)計思路以及獨特的流體輸運過程。（a）S-SLO優(yōu)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(shè)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(xiàn)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(nèi)的定向輸運。（a）仿貝殼狀超親水折疊通道（S-SLO）能夠引導(dǎo)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(nèi)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(chǔ)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(jié)構(gòu)在收集蒸汽上具有潛在應(yīng)用價值。本項工作旨在設(shè)計具有連續(xù)自發(fā)、高適應(yīng)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(jié)能減排等領(lǐng)域的發(fā)展提供新思路。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202211596
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