仿生偏心通道实现快速大角度爬升的自驱动表面定向液体传输研究

一、作者及发表信息
本研究由上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室的Siyu Zuo、Zhutian Xu（通讯作者）、Peiyun Yi、Diankai Qiu和Linfa Peng共同完成，发表于*Advanced Functional Materials*期刊（2025年，DOI: 10.1002/adfm.202510157）。

二、学术背景
科学领域：本研究属于仿生微流体传输与表面润湿性调控领域，结合了激光微纳加工、材料表面改性及流体动力学。
研究动机：传统无外力驱动的长距离液体传输面临多重阻力（如重力、界面阻力），导致流速受限，尤其在上坡运输中表现不佳。昆虫唇须（labial palps）通过不对称几何结构和润湿性梯度高效引导水滴至口腔的现象，为设计新型液体传输系统提供了灵感。
研究目标：开发一种仿生偏心环（Bioinspired Eccentric Ring, BER）结构，通过整合几何不对称性与超疏水-超亲水润湿性差异，实现快速、低阻力、抗重力的定向液体传输。

三、研究流程与方法
1. BER结构设计与仿生灵感
- 仿生模型：基于螳螂唇须的曲率不对称性，设计BER通道，其偏心环形结构可减少连接处阻力并加速液滴传输。
- 结构参数：通道长度35 mm，超亲水区域通过选择性钨（W）溅射形成，与超疏水背景形成润湿性梯度。

1. 表面制备与润湿性调控

   • 超疏水基底制备：
     
     • 激光加工：采用飞秒激光（LPKF Protolaser U4）在316L不锈钢表面刻蚀微米级方形突起（间距50 μm，沟宽15 μm），形成微/纳米分级结构。
       
     • 空气退火：110°C退火12小时，吸附空气中的碳氢化合物，使表面从超亲水（Wenzel模型）转变为超疏水（Cassie-Baxter模型，接触角≈180°）。
       
   • 超亲水通道构建：
     
     • 磁控溅射：通过直流磁控溅射（Teer UDP850系统）在激光暴露区域沉积钨涂层，恢复超亲水性（接触角≈0°）。
       
     • XPS验证：X射线光电子能谱（XPS）显示W溅射后非极性C-C(H)基团比例降低（从82.65%降至76.75%），证实表面化学改性。

2. 液体传输性能测试

   • 实验设计：
     
     • 传输速度：20 μL水滴在BER通道中完全润湿35 mm仅需4.7秒，初始速度达80 mm/s。
       
     • 抗重力测试：在30°倾斜面上实现水滴上坡运输，无滞留。
       
     • 多方向传输：设计“S”、“J”、“T”、“U”形通道，验证BER结构的通用性。
       
   • 阻力分析：通过理论模型量化润湿差力（F_wd）和拉普拉斯压力（F_l），证明BER结构在连接处阻力趋近于零。

3. 雾收集应用验证

   • 实验条件：倾斜30°的BER表面暴露于20 μL/s的雾流中。
     
   • 结果：15秒内水滴定向输送至顶部，效率显著高于传统楔形结构。

四、主要结果与逻辑链条
1. BER结构优化：偏心环形设计通过平衡界面力（F_wd与F_l）消除连接处阻力，避免液滴聚集（图2d-e）。理论计算表明F_wd ≫ F_l，驱动液滴定向运动。
2. 润湿性调控机制：激光加工+退火+W溅射的物理组合法实现了稳定的超疏水-超亲水图案化，避免了化学改性的环境风险（图3c）。
3. 抗重力性能：BER通道在30°倾斜面上实现连续上坡运输，最大爬升角度优于现有平面自驱动系统（图5c）。
4. 多方向传输：双向、三向和四向BER通道的润湿时间与面积呈线性关系（图4e），证明其可扩展性。

这些结果逐级验证了BER结构在降低阻力、提升传输效率及环境适应性方面的优势，为后续应用奠定基础。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 提出了一种新型仿生液体传输机制，揭示了几何不对称性与润湿性梯度协同作用对降低阻力的重要性。
- 发展了纯物理加工的表面润湿性调控方法，为绿色制造提供范例。
2. 应用价值：
- 微流体器件：无需外部能源的液滴精准分配。
- 雾水收集：适用于干旱地区的抗重力集水系统。
- 被动冷却：高效液相散热界面设计。

六、研究亮点
1. 创新结构：BER设计首次模仿昆虫唇须的曲率不对称性，实现无预润湿的长距离运输。
2. 工艺革新：飞秒激光+磁控溅射的物理组合法兼具环保性与可扩展性。
3. 性能突破：80 mm/s的初始速度及30°爬升角度为当前平面自驱动系统的最高记录。

七、其他价值
- 选择性流动：Y型BER通道可优先引导液流至低阻力路径，适用于微流控逻辑操作（见Note S2）。
- 化学触发应用：通过BER输送NaOH溶液触发pH显色反应，展示了其在微反应器中的潜力（Note S3）。

本研究为仿生表面液体操控提供了新范式，兼具基础研究深度与工程应用前景。