机械学院仿生与微纳系统研究所与江雷院士合作在《Nature Materials》上发表液体超高

北航新闻网9月25日电（通讯员 宋婉姮）2018年9月24日《Nature Materials》在线发表了北京航空航天大学机械工程及自动化学院陈华伟教授、张德远教授与化学学院江雷院士等的合作研究成果“Ultrafast waterharvesting and transport in hierarchical micro-channels”。该研究发现并揭示了微纳结构表面上特殊高低棱结构对液体超高速收集与传输原理，为机械表界面的仿生设计与生物制造奠定了理论与技术基础。陈华伟教授为第一作者，陈华伟教授、江雷院士为通讯作者，北京航空航天大学为通讯单位。

液体高速传输在机械、电子与新能源等领域具有极其重要的应用价值，如何提升液体传输能力一直是重要研究课题。捕虫植物的优异湿滑机制引起了研究团队的关注，对瓶子草（学名：Sarracenia）盖子上的细长绒毛液体收集与传输开展了系统研究。通过观测发现瓶子草绒毛通过收集空气中的潮湿水气来维持表面的湿滑特性，其集水传输速度比现有的仙人掌刺、蜘蛛丝提高了三个量级。

研究团队深入分析了绒毛的表面微观结构特征，首次发现了特殊的高低棱多级微纳沟槽结构，即相邻高棱间分布3~5个低棱（图1）。在此高低棱多级微纳沟槽结构上，液体在表面干湿状态下会相继出现两种不同的输送模式。当多级微纳表面结构处于干燥状态时，液体传输主要依靠固-液接触产生的毛细力，此时液体传输模式与仙人掌刺、蜘蛛丝相类似，表现为大液滴移动方式，即传输模式I（图2a-c）。由于高低棱沟槽结构产生的毛细力呈梯度分布，传输模式I下的液体传输速度也不尽相同，呈现出快、慢速度梯度。而当高低棱沟槽结构润湿后，一层稳定的水膜会维持在表面上，降低三相接触线，避免后续液体与绒毛固体表面直接接触，液体传输动力就变为液-液接触的超滑毛细力，显著降低后续液体传输阻力，加速了后续的液体传输，即传输模式II（图2d-f）。研究团队还通过光刻技术制造出相应的仿生微纳结构（图3），验证了微纳高低棱结构的高速液体传输性能，并基于Lucas-Washburn原理、Onsager原理与边界滑移理论分别建立了两种传输模式的理论模型。进一步揭示了高低棱多级微纳结构参数对超高速传输的影响规律，提出超高速输送高低棱结构仿生设计准则。研究成果可应用于微流体芯片、高效散热结构、液体收集与海水淡化装置等亟需高速液体收集与传输的领域。

该研究得到了国家自然科学基金杰青项目（51725501）、重点项目（21431009）等的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0171-9

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