南开大学Chem Soc Rev：仿生流体操控界面的前世今生

学术 2025-01-30 21:51 浙江

学习自然是人类发展科学技术的捷径！为适应复杂环境，生物体采用不对称浸润性图案、表面定向微纳结构和不对称几何梯度等策略，演化出了高效的流体传输控制能力。例如，沙漠甲虫通过背部亲水的凸起与疏水区域相结合实现雾气的高效捕集；仙人掌的疏水锥形刺依赖其几何梯度将水滴从尖端定向传输至根端，最终被亲水的绒毛吸收；而滨鸟的喙则通过两侧不平行的板状结构，将液滴定向传输至口中。这些生物界面展现了方向性液体传输、自发液滴移动和连续流体操控的能力，同时具备低能耗、高效率和简化设计的特点。这些特点不仅展示了自然界在流体操控方面的卓越智慧，也指引科研工作者设计高效的仿生流体操控界面用于优化各种功能系统。

开放表面上的定向可控流体输送的核心在于特殊润湿性与不对称结构的结合。这种结合可以显著增强界面的液体操控能力，展现出自发性、连续性、智能化和高效集成的特性，为传热、微流控、及水资源收集等多个领域的应用带来了突破性进展。例如，仿生超亲水界面能够促进液体均匀分布，提高蒸发效率；在微流控设备中，亲疏水结合的图案界面实现了更精准的液体输送；在水资源收集方面，基于仿生设计的界面提高了雾滴的捕集效率并降低能耗。

基于此，南开大学材料科学与工程学院曹墨源研究员团队聚焦于自然启发下的流体操控界面，系统性地回顾了这一领域的历史发展、分类特性、制造方法和应用场景，并展望了未来的重点研究方向。文章首先明确了流体操控界面的定义，并基于润湿性与结构不对称性等特性进行了科学分类。这一分类为未来研究提供了清晰的框架，便于研究人员系统性地理解和探索仿生界面的设计与应用。在设计机制方面，文章深入探讨了流体在界面上的运动规律及驱动力。在制备方法上，文章系统总结了构建仿生流体界面的不同技术手段。这些方法涵盖了从物理/化学修饰到精密微加工等多种策略。

此外，文章重点探讨了流体操纵界面在实际科研中的应用。文章指出，仿生流体操控界面在多个领域展现了广阔的前景。例如，在水资源收集中，基于仿生设计的界面能够有效捕集空气中的水分，为干旱地区的水资源问题提供了潜在解决方案；在日光蒸发中，这些界面显著提高了蒸发效率，并在淡水资源的获取中具有重要意义，而在微流控设备中，这些界面极大地提升了液体输送的灵敏性和精准性。

最后，文章展望了未来仿生流体操控界面的研究方向。作者指出，提升结构复杂性将是未来研究的重点之一。在微纳尺度上实现层次化、精密化的复杂结构设计，是进一步提高界面性能的关键。其次，材料的柔韧性也是仿生界面广泛应用中亟待解决的挑战。开发柔性液体操控界面不仅能够显著增强材料的适应性，还能拓展其在复杂环境下的应用场景。此外，作者认为，面向工业需求的仿生流体输运通道设计将是未来发展的重要方向，通过高效且低能耗的设计，能够增强流体操纵的效率和通量，以满足实际需求。作者希望以此篇综述文章为读者全方位展示仿生流控界面，并为潜在的整合应用提供帮助。文章第一作者为白浩宇、赵天宏，通讯作者为曹墨源研究员，本文入选2024年度Chemical Society Reviews新锐研究人员专辑（Emerging Investigator）

原文图三：流体操控领域的重大进展时间线：涵盖了自发流体传输和外场驱动流体传输技术的发展历程。

原文图四：典型对称界面与非对称界面的设计与分类：(a) 对称界面：(i) 亲水表面；(ii) 疏水表面；(iii) 微尺度对称表面；(iv) 纳米尺度对称表面；(v) 对称圆柱体；(vi) 毛细管。(b) 非对称界面：(i) 疏水/亲水图案；(ii) Janus结构；(iii) 润湿梯度轨道；(iv) 非对称结构密度；(v) 定向纳米结构；(vi) 倾斜微结构；(vii) 锥形结构；(viii) 通道中的非对称毛细管；(ix) 非对称夹层结构。

原文图九：多种流体释放模式解析：(a) 静态液滴/气泡释放：无初始动量驱动；(b) 动态液滴释放；(c) 准静态流体释放：连续施加液体；(d) 液滴释放后的形变：实现方向性传输；(e) 动态流体释放：适用于高通量传输场景；(f) 微液滴释放：针对雾状微液滴和蒸汽的高效捕获与传输。

原文图十：调控流体操控界面的设计参数，通过调节非对称界面的固有特性，可实现流体操控的精准调节。

原文图十五：复杂流体操控的多重非对称界面集成设计：(a) 相同种类不对称流体操纵结构的组合，(b) 不同种类的不对称流体操纵结构的集成。

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