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《Applied Physics Reviews》刊登我院科研团队综述工作

作者: 发布: 2022-12-07

近日,本院陈华伟教授和江雷院士合作在国际物理领域知名期刊《应用物理评论》(Applied Physics Reviews, IF = 19.5)发表了题为“Liquid/air dynamic behaviors and regulation mechanisms for bioinspired surface”长篇综述文章。该论文被甄选为Featured Article(https://doi.org/10.1063/10.0016389),并被美国物理学联合会《科学之光》(AIP Scilight)杂志进行了专访报道。相关工作由北京航空航天大学陈华伟教授为通讯作者,张力文讲师与王炎博士担任共同第一作者,北京航空航天大学为第一完成单位。

 

近年来,功能表面的液/气精准调控技术因其在机械摩擦、生机表界面、热管理等方面的广泛应用备受关注,通过界面介质调控可为生物医疗中细胞分选与操控,机械电子设备的绿色、高效自润滑或散热,医疗创伤手术和可穿戴器件的界面力调控提供新方法。为满足不同场合下表面功能化需求,需要建立起更全面的理论体系,以精确调控微纳米尺度的液体-气体-固体界面动态相互作用行为。自然界中生物依靠组织或体表的特殊表面,通过控制赖以生存的液/气行为以适应复杂多变的环境,如仙人掌集雾、瓶子草的超高速水传输和树蛙强湿粘附,这些都为创新设计液/气调控表面提供了丰富的灵感(图1)。

 

图1 自然界生物进化出各种特殊功能表面以适应复杂环境

该文章总结了生物启发下的液/气调控的研究进展及其机制,包括液、气超快速传输,定向铺展,和界面黏附三个方面。基于结构和材料性能的耦合效应,阐述了具有独特液/气调控特性的仿生表面结构的设计原理和制作方法,并介绍了其在电子散热和生物医学器件方面的一些重要应用。最后,对基于液/气调控的仿生功能材料提出了新的见解和展望。

 

图2 固-液-气界面相互作用力及界面行为理论模型

液体具有高表面张力和高流动性的固有特性,在固-液-气相互作用下表现出各种独特的动态行为。产生这些液体行为有两个关键作用,即固-液-气三相接触线的线张力和弯曲液-气界面处的毛细作用(图2)。通常情况下,固-液-气三相的状态受表面结构和材料润湿性质所影响,可以用经典静态接触角模型、动态接触角滞后和接触线钉扎效应来描述,钉扎效果越强烈,接触角的滞后性越大。受自然界生物启发,提取出各种各样的结构如柱状、锥状、蘑菇状等可以直接影响三相接触状态。特别地,蘑菇状多级结构可以产生类似于玫瑰花瓣效应的强钉扎效应,这种结构甚至可以阻止低表面能液体(乙醇)的铺展,形成超疏状态。而各向异性结构和材质则会引起不对称的钉扎效果,可以调控液滴的定向运动行为。液体的另一个关键作用是来自弯曲液-气界面的毛细作用,弯曲界面可以是凸或凹的,作用力方向指向曲率中心,作用力大小可由拉普拉斯压差计算可得。这种弯曲面产生的毛细力不仅可以影响液体前驱界面的运动行为,而且内部产生的负压或正压强可以用于固体表面间的粘附和排斥。理论上对于半径为几百纳米的毛细管内液体可以产生几倍大气压的毛细力。同样地,通过结构和材质的修饰可以调节界面曲率进而实现液体的可控传输和粘附。

 

1. 液、气定向传输效应及机制

 

图3 自然界液体定向传输现象

液体定向扩散是一种典型的液体调节方式,各种自然界的生物都配备了这种方式来收集雾气或捕捉昆虫,如沙漠甲虫、蜘蛛丝、仙人掌脊柱、猪笼草口缘和Araucaria叶片,形成了1D、2D和3D不同层级的液体定向输送效应。通过揭示这些复杂的表面结构和材质特性对气、液的定向输送机制,对气、液运动调控具有重要意义。

 

 

图4 液/气界面定向传输理论模型

楔形沟槽、管道或尖锥结构由于左右两边曲率不同,产生不平衡的拉普拉斯毛细力,进而引导液体向曲率大的方向传输。梯度润湿表面和各向异性微结构表面使得液滴左右接触角不同,在不对称表面张力作用下液滴向亲水方向传输。典型的倾斜纤毛和楔形弧阵列结构对液体有着明显的定向传输作用。对于纤毛系统表面,通过改变纤毛倾角可以实时调节液体的铺展方向,当液体本征接触角处于纤毛倾角判据范围内时,液体沿纤毛倾斜方向铺展。陈华伟教授团队在Nature上首次报道了一种猪笼草口缘处特殊的倾斜楔形弧结构,在液体前进方向上由于梯度楔形的毛细力作用使得液体快速铺展,后退方向上则受到蘑菇状边缘钉扎作用阻碍液体铺展,最终实现连续、快速和长距离的液体单向传输。

 

2. 液、气超快速输送效应及机制

 

 

图5 自然界液、气定向传输现象

液滴能够在超疏水的荷叶表面快速滚落以达到自我清洁效果。具备类似荷叶效应的生物还有很多,水黾依靠超疏水腿在水面上自由行走,而大部分昆虫的复眼都具有疏水特性以时刻保持清晰视野。相反地,大部分植物如猪笼草、瓶子草为吸收空气中湿气进化出高效润湿集水的亲水性结构,液体在润湿性表面上能够快速铺展。此外,水下的气泡也具有类似的快速传输效应,气体的快速铺展有利于水生/半水生植物在水下的生存。自然界中液体和空气的快速传输对生物的生存至关重要,其表面特征结构和具有独特界面液/气调节机制的低表面能材料有助于构建更高效的生物仿生表面。

 

 

图6 液/气界面快速传输理论模型

液滴/气泡能够在超疏水/超疏气表面和Slippery表面快速滑落这得益于气模或油膜产生的超低接触角滞后,而对于超亲表面则快速铺展。特别地,在2018年,陈华伟教授团队在Nature materials上报道了一种结合超亲水和Slippery表面两种策略的高低棱沟槽结构,液体首先在低棱沟槽表面在快速铺展形成一层液膜,后续的液体凝结在低棱液膜表面,展现出惊人的超高速液体传输。

 

3. 界面间液、气作用力效应及机制

 

 

图7 自然界液、气界面力效应

自然界中的生物进化出在湿润环境下产生强粘附的脚垫,如树蛙和蝈蝈。这些脚垫表面末端大部分是密排布的六棱柱平面结构,柱与柱之间的沟槽具有排开界面多余液体作用,柱表面则留有少量液体与固体表面形成毛细力粘附。有趣的是,气泡在水下也能产生较强的粘附作用。一些水生生物在水下依靠气泡来呼吸生存,如水蜘蛛、仰泳蝽和水生甲虫。这些生物依靠表面的多级纤毛能够牢牢粘附住气泡,其粘附力足以抵御来自水流的冲击和浮力。揭示这些潜在生物机制有利于创造更有效的强湿附着表面,并进一步扩大其潜在应用。

 

图8 液/气界面作用力理论模型

当两表面间存在液滴或气泡时,由于润湿性引起液-气界面弯曲从而产生对上下固体表面的作用力,作用力方向由界面曲率决定,作用力大小随间隙减小而增大,通过表面微结构和材料性质的耦合作用可以共同调控液/气作用力。受水生甲虫启发,揭示了由纤毛系统表面产生的气泡作用力,通过控制纤毛汇聚和发散可以调控气泡的粘附和排斥力。此外,通过揭示树蛙脚掌的自吸附和多级碎化效应,丰富了液/气界面粘附理论体系。这种由界面毛细力产生的强湿粘附在生物医疗领域具有重要的应用前景。通常,在医疗器械与生物组织表面接触时不可避免地会由于组织粘液造成湿滑失效的问题,而由章鱼、树蛙等生物启发下,液/气界面粘附为医疗领域带来了新的活力。仿生六棱柱多级结构和仿生吸盘结构耦合作用,在较低的外部压力下能够产生强的湿摩擦性能,克服汗液和粘液的影响成功应用于可穿戴电子皮肤和创伤贴片。利用气泡界面粘附,可以实现对固体表面和微粒简单有效、跨尺度的无损操控,在微流控领域具有潜在的应用价值。

综上所述,近年来,在探索液/气界面的动态行为包括快速传输、定向铺展以及强湿粘附方面取得了非凡的成果。通过微纳米多级结构和材料特性的耦合效应,液/气界面的动态行为得以精准调控,为微流控、精准医疗和微机器人领域的带来了蓬勃生机。未来,在液/气界面动态行为的研究仍需面临很多新的挑战,如更多自然界生物的原型新机制有待探索,特别是对于生活在多相介质环境中的生物。液/气界面的原位、高速、微观动态行为的研究仍需探索新的表征方法,从分子、细胞层面研究纳米多孔膜上的介质行为,以期形成未来下一代生物纳米传感器和能量储存器。此外,功能表面的需要向大规模量产、精准制造和多场动态响应方面进行发展。随着机制、制造和应用的不断探索,生物启发的界面气/液调控在未来必定会有更加突破性发展。

 

 

本研究得到了国家自然科学基金(51935001,51905022,51725501,T2121003),国家重点研发计划(2019YFB1309702),北京航空航天大学(YWF22L1224),河北省自然科学基金(E2022208039)和北京航空航天大学博士研究生卓越学术基金等项目支持。


通讯作者


陈华伟,北京航空航天大学机械工程与自动化学院教授/副院长,入选或获得万人计划领军人才,杰青项目,第三届科学探索奖获得者等。主要从事研究仿生功能表面、微/纳米加工和微/纳流体,在Nature, Nature Materials, Advanced Materials, Advanced Science, Small, Angew. Chemie, ACS Applied Materials & Interface等期刊发表论文80余篇。

第一作者


张力文,北京航空航天大学助理教授,硕士生导师。面向微纳生/机界面科学技术,主要开展微纳仿生表面功能化、微纳流体、微纳智能制造技术及其应研究,在生物原型机理表征、微纳界面功能效应新机制和4D打印制造等方面取得许多创新性成果。相关研究发表于Advanced Science,Small,Nature,Advanced Materials和Advanced Functional Materials等期刊共计18篇,参与撰写专著2部,申请发明专利9项。获得国家自然科学基金和博新计划等项目支持,参与国家重点研发计划、国家自然科学基金杰出青年项目和重点项目的研究工作。

 

王炎,北京航空航天大学在读博士,研究方向为仿生界面粘附力学。

 

论文信息:

Liquid/air dynamic behaviors and regulation mechanisms for bioinspired surface

Liwen Zhang, Yan Wang, Zelinlan Wang, Guang Liu, Yurun Guo, Xiaolin Liu, Deyuan Zhang, Lei Jiang, Huawei Chen*

Applied Physics Reviews

DOI: 10.1063/5.0102883