仿生材料研究——大自然是人們解決科學難題的靈感源泉

2020-10-10 飛納電鏡

液體單向輸運在微流控晶片，霧氣收集，噴墨列印乃至潤滑減阻等方面都有著重要的應用。

大自然是人們解決科學難題的靈感源泉，在之前的研究工作中，研究者們發現沙漠甲殼蟲背、仙人掌刺、蜘蛛絲利用其本身的浸潤性梯度或是結構梯度可以自發地對液體進行定向輸運。

研究者通過模仿這些生物體結構，成功地實現了對液體輸運方向的調控。然而這些方法仍然存在很多局限性。如其輸運液體的體積小（< 2 毫升），距離短（< 5 毫米），而且輸運液體的種類也受到限制。

最近，受到水在豬籠草口緣表面連續快速定向鋪展現象的啟發，科研人員通過掃描電子顯微鏡分析和解剖豬籠草口緣表面特殊的微觀結構，設計並構築了仿生豬籠草口緣結構，該仿生結構能夠克服上述缺陷，無需外界能量注入，即可實現多種液體自髮長程大體積的定向輸運，擁有超越自然的性能與應用。

儘管取得了很大的進展，但在這些研究中，液體只能單向的鋪展，而無法實現液體從一個位置到另一個位置的整體移動。

近日，中國科學院理化技術研究所仿生材料與界面科學重點實驗室的科研人員取得了新進展。在突然自發的氣泡的懸浮作用下，停留在仿豬籠草口緣表面上的液體可以像尺蠖一樣定向和迅速地蠕動爬行。減壓抽真空或化學反應均會引起仿豬籠草口緣表面上的不對稱微腔中的氣泡突然成核，生長，合併（奧斯特瓦爾德熟化過程）和破裂，並在液體下方產生定向的過壓，從而導致液體的定向收縮和伸張。這種通過氣泡調節的新液體定向移動模式有望應用於微流控設備，油水分離和集水系統等。

圖 S1. 豬籠草口緣表面的掃描電鏡（SEM）圖像 （飛納電鏡 Phenom Pro）(a)、(e) 不同生長周期的口緣內表面的掃描電鏡圖。(b) - (d) 和 (f) - (h)，豬籠草口緣表面的高倍掃描電鏡圖像。

口緣表面具有二級微槽結構，每個微槽裡面周期性地排列鴨嘴狀的微腔，這些結構使得豬籠草可以將液體從內側不斷地定向輸運到外側，從而在其表面形成一層溼滑的水膜，當昆蟲被吸引過來後，就會從口緣滑落到捕蟲籠中被捕獲。[1]

圖 S9. 仿豬籠草口緣結構的 PDMS 人造表面的掃描電鏡圖（飛納電鏡 Phenom Pro）。[2]

參考文獻

[1] S. Zhou, C. L. Yu, C. X. Li, Z. C. Dong, L. Jiang, Programmable unidirectional liquid transport on peristome-mimetic surfaces under liquid environments. J. Mater. Chem. A 7, 18244-18248 (2019).

[2] S. Zhou, C. L. Yu, C. X. Li, L. Jiang, Z. C. Dong, Droplets Crawling on Peristome-Mimetic Surfaces. Adv. Funct. Mater. 30, 1908066 (2020).

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