河南大学鞠婕教授团队Adv. Mater.：仿木耳液体超快、定向吸收表面

文摘 2024-11-25 12:17 吉林

木耳是常见的食用菌，生长在湿度高、雨量充沛的环境中。本研究发现木耳柔毛面可对液体实现快速、定向吸收，1-μL水滴在柔毛面的吸收时间为35 ms，比去柔毛表面缩短了2个数量级（5.2 s）。经分析，木耳柔毛面由上部微米尺寸的柔毛阵列和下部具有微/纳米孔的致密层组成。基于此，提出表面具有微柱阵列，内部具有微/纳多孔结构的仿木耳物理模型。同时证明微柱阵列诱导的液体横向铺展和纵向梯度孔结构提供增强的毛细作用共同作用实现液体快速、定向吸收。

该工作以“Ultra-Fast, Unidirectional Water Absorption on Wood Ear”为题发表在《Advanced Materials》上。河南大学纳米科学与材料工程学院为论文第一通讯单位，河南大学纳米科学与材料工程学院王依莎硕士研究生和赵刘瑞硕士研究生为第一作者，纳米科学与材料工程学院罗玉琼副教授和鞠婕教授为通讯作者。

研究背景

具备快速、定向液体吸收运输功能的多孔材料在一次性卫生用品、伤口敷料、热湿调节服装等领域具有巨大的应用前景。目前，沿多孔材料垂直方向构建化学润湿梯度、结构梯度或两者结合是实现快速、定向液体吸收的常见手段。实际上，液滴的动态吸收过程由液滴在多孔表面的横向铺展以及内部的纵向渗透过程共同决定。但目前横向铺展对液体定向吸收性能的影响仍不清楚。

研究结论

受液体在天然木耳柔毛面快速、定向吸收的启发，通过结构分析发现，木耳横切面包括柔毛层、上致密层、髓层、下致密层、子实层等。柔毛均匀分布在上致密层表面，其中，柔毛长度约46.00 μm，直径约4.37 μm，上致密层为具有微/纳米孔的多孔结构。1-μL水滴在柔毛面的吸收时间为35 ms，比去柔毛表面缩短了2个数量级（5.2 s）。基于此，提出表面具有微柱阵列，内部具有微/纳多孔结构的仿木耳物理模型。进一步，通过实验及理论计算证明，在横向方向上，微柱阵列产生的毛细作用力使液滴前端形成前驱膜，提高液滴与多孔结构表面的接触面积；在纵向方向上，梯度孔结构提供增强的毛细作用并赋予液体定向运输性能，两者共同作用实现液体快速、定向吸收。最后，利用聚丙烯腈溶液进行复型，相分离后获得表面微柱阵列（高30 μm，直径10 μm，柱间隙25μm），下部纳米孔的复合结构，1-μL水滴在该表面的吸收时间为24 ms，优于天然木耳表面。本工作可为超快、定向、无反渗液体吸收织物的构建提供新的理论支持和创新实验手段，并有望拓展界面化学基础理论中关于液体动态行为影响模式的研究。

研究图文

图1. 木耳结构表征。（a）菌包表面生长的木耳图片。木耳柔毛面（b，d）和子实层面（c，e）的照片及润湿性能。5-μL液滴在13.02 s时在柔毛面铺展开，38.24 s时润湿区域恢复至棕色。液滴在子实层面38.24 s內接触角约为118.1± 6.9^o。f-k. 超临界冷冻干燥制备的木耳的电镜图。木耳横截面（f），包括上部柔毛层，上致密层以及下部子实层，柔毛均匀分布在上致密层表面（g），其中，柔毛长度约46.00 μm，直径约4.37 μm，间距约6.62 μm（h），上致密层表面具有微/纳米孔（i），子实层表面无柔毛。

图2. 液滴（1-μL）在超临界冷冻干燥木耳柔毛面吸收动态。液体横向铺展、纵向渗透过程俯视图（a，b）以及侧视图（c，d），1-μL液滴在35 ms内完全吸收，从俯视图，液滴在铺展过程中可分为两部分，主液滴以及前驱膜，初始阶段，两者共同向外铺展，之后，两者分离，前驱膜快速铺展，435 ms后达到最大2.77 mm，主液滴半径在8 ms达到~ 1.14 mm最大后开始收缩（a，b，e），最终在35 ms时接触角降为0^o（c，d，f）。

图3. 液体在木耳表面超快、定向吸收机理。（a）复合结构包括顶部微柱阵列以及下部纳米多孔结构，在多孔结构+微柱阵列表面，微柱阵列产生毛细作用力，液体进入微柱阵列间隙，液滴横向铺展，形成前驱膜，（b）微柱阵列诱导的横向铺展增大液滴在多孔表面的接触面积，提高液滴吸收速度，其中V₁(t)和V₂(t)分别为在时间t时，液滴在主液滴边缘的横向铺展液体体积以及主液滴底部纵向渗透液体体积。（c）微柱间隙尺寸（d> d_p），增强的毛细作用诱导液体快速吸收。增强的横向铺展和纵向渗透共同促进液体吸收。

图4. 人工制备仿木耳复合结构。（a，b）人工制备仿木耳复合结构包括微柱阵列以及多孔基底，其中微柱阵列尺寸为高30 μm，直径10 μm，柱间隙25μm，多孔基底表面及内部均具有纳米孔。（c-f）人工结构表面，同样出现主液滴和前驱膜分离，1-μL液滴在人工结构表面的吸收时间为24 ms，液滴吸收时间稍低于天然木耳柔毛面。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202413364

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI4ODE4NDAwNw==&mid=2655159413&idx=1&sn=1f72cf0cfe8559d2d2fd36c5988d8aca

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