泥炭藓植株主要由茎、枝和叶组成（图1a）。枝条上生着大量的叶片，枝叶整体呈宝塔状，叶片之间形成了锯齿状的储液空间。叶片为纺锤形，叶背表皮细胞呈蠕虫状(图1b)，同时表皮细胞之间存在着沿着叶片轴向分布的沟壑(图1c)，提供了较大的表面积。泥炭藓叶片是由中空的单层细胞构成（图1d），叶片背部具有大量的孔洞并与细胞内部的中空结构连通(图1e)，而背部则为封闭的表面(图1f)。其中，叶背表面的孔径分布在8-19 μm之间(图1g)。这些结构特征为吸收和储存水提供了的空间。泥炭藓主要由C、H、O三种元素组成，通过红外光谱图可以得知表面官能团主要是C-C，C-O-C，C-OH和O-C=O，且C-OH具有较强的峰值(图1h)。大量的-OH为泥炭藓提供了亲水官能团。
泥炭藓具有较好的亲水性，当水滴与其接触后，一部分迅速被茎叶吸收，另一部分集聚在叶片间的锯齿内，形成一层液膜（图2a）。叶片腹部和背部表现出不同的润湿性，水滴在叶腹表面的接触角为45°，而在叶背的接触角为28.1°（图2b）。此外，泥炭藓具有良好的储液性，最大吸水量约为其自身重量的30倍（图2c），室温状态下的保水性为72h（图2d）。在蒸发过程中，枝叶锯齿结构中的表面吸附水和叶片中空细胞中的内部储存水使得失水速率在13h处出现拐点。
利用Material-Studio建立了无定形、羟基化、仿生的Si3N4模型（图3a）。由于-OH的亲水作用和孔隙结构的储水作用，仿生Si3N4表现出最好的润湿性（图3b）。不同模型表面亲水性的差异主要来自水分子与各固体表面原子的相互作用类型及作用强度（图3c）。羟基化增强了表面与水分子之间的库仑相互作用，并使得羟基化、仿生Si3N4表面的O原子与水分子中的H原子形成了额外的范德华力（图3d），从而增强了表面与水分子的相互作用，改善了试样表面的亲水性。
图3 （a）无定形、羟基化、仿生的Si3N4模型的俯视和侧视图；（b）无定形、羟基化、仿生的Si3N4模型的润湿模拟过程；（c）水分子与不同构型的Si3N4表面之间的相互作用能；（d）不同构型Si3N4的径向分布函数。
水分子在Cu与Si3N4之间起到了润滑的作用，但不同构型Si3N4所组成的润滑体系的润滑效果不同（图4a），仿生Si3N4构成的润滑体系的摩擦系数最小。三种表面对水分子的吸附能力不同，造成了其在水润滑条件下形成的润滑膜厚的差异。在载荷方向上，相比于无定形Si3N4，-OH修饰的Si3N4、仿生Si3N4润滑体系的润滑膜厚更大（图4b）。完整润滑膜的形成，减小了摩擦副表面的接触，从而降低了摩擦系数。
全文链接：https://rdcu.be/dmJhd
