刘静研究员团队、江雷院士和王钻开教授团队合作提出一种柔性毫-微-纳米多级刚毛结构，可实现液滴逆重力传输

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近日，中国科学院理化技术研究所刘静研究员课题组联合江雷院士和香港城市大学王钻开教授报道了一种液滴在昆虫的柔性毫-微-纳米多级触须表面逆重力传输的研究，以“Counterintuitive Ballistic and Directional Liquid Transport on Flexible Droplet Rectifier”为题发表在Research上（Research，2020，ID 6472313）。

经过亿万年的进化，自然界的生物表面被赋予了特殊的功能。液滴在亲水表面的传输大都依赖于表面能和拉普拉斯压差，但是这些表面很难实现液滴的长程传输；而疏水材料表面在恶劣环境中非常容易被浸润。所以，只有表面液滴不断被释放，实现定向传输，才能够保障表面功能的稳定性。

一直以来，人们通过学习自然和复制自然界的功能，达到为人类服务的目的。但是，实现这一功能基本依赖于表面的粗糙结构和低表面能化学物质。此前，研究者通过设计柔性的微纳米结构，有效降低了表面应力，提高了超疏水、抗结冰表面的耐久性。中科院理化所刘静教授团队王磊博士在研究自然界蛾蜢触须过程中发现在高湿度环境中，这种触须可以将其表面凝结的水滴从底部驱动到顶端，实现了液滴的逆重力传输，如图1所示。

图1  凝结的液滴在蛾蜢触须表面实现定向逆重力传输功能

这种逆重力传输的主要贡献是由于各向异性倾斜的柔性纳米锥和微米刚毛结构，在这种结构表面，液滴合并过程中，无论液滴的大小，都朝着顶端运动。如图2所示，通过能量分析得到了最小的合并液滴尺寸，并且和实验结果一致。纳米锥的倾斜角度梯度和柔性特征，成为了液滴在微纳尺度定向传输的最重要作用。

图2  液滴在纳米锥和微米刚毛结构表面的运动

液滴不仅可以在微米、纳米结构表面实现定向传输，在整个毫米级触须表面，液滴依然可以实现定向传输。在液滴合并过程中，翘起的微米刚毛恢复原始状态过程中把底部的液滴传输到上部的刚毛表面，实现了大液滴的定向传输。图3所示为液滴合并过程中，刚毛的翘起，刚毛在恢复原始状态过程中帮助液滴向顶端运动。

图3  液滴在触须表面实现定向逆重力传输

柔性多级微结构表面实现液滴定向传输，不仅仅可以保障了表面的自清洁，还可以在环境中定向收集水，提高水资源的利用率。图4所示，人工制备的柔性倾斜梯度结构阵列表面，液滴合并过程中实现了定向逆重力爬坡行为。

图4 人工产品表面实现液滴合并之后爬坡行为

原文链接：

https://doi.org/10.34133/2020/6472313

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