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仿生材料研究——大自然是人们解决科学难题的灵感源泉

 发布时间:2020-07-29 点击量:1220

液体单向输运在微流控芯片,雾气收集,喷墨打印乃至润滑减阻等方面都有着重要的应用。

大自然是人们解决科学难题的灵感源泉,在之前的研究工作中,研究者们发现沙漠甲壳虫背、仙人掌刺、蜘蛛丝利用其本身的浸润性梯度或是结构梯度可以自发地对液体进行定向输运。

 

    

 

研究者通过模仿这些生物体结构,成功地实现了对液体输运方向的调控。然而这些方法仍然存在很多局限性。如其输运液体的体积小(< 2 毫升),距离短(< 5 毫米),而且输运液体的种类也受到限制。

 

近,受到水在猪笼草口缘表面连续快速定向铺展现象的启发,科研人员通过扫描电子显微镜分析和解剖猪笼草口缘表面特殊的微观结构,设计并构筑了仿生猪笼草口缘结构,该仿生结构能够克服上述缺陷,无需外界能量注入,即可实现多种液体自发长程大体积的定向输运,拥有超越自然的性能与应用。

 

 

 

尽管取得了很大的进展,但在这些研究中,液体只能单向的铺展,而无法实现液体从一个位置到另一个位置的整体移动。

 

近日,中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室的科研人员取得了新进展。在突然自发的气泡的悬浮作用下,停留在仿猪笼草口缘表面上的液体可以像尺蠖一样定向和迅速地蠕动爬行。减压抽真空或化学反应均会引起仿猪笼草口缘表面上的不对称微腔中的气泡突然成核,生长,合并(奥斯特瓦尔德熟化过程)和破裂,并在液体下方产生定向的过压,从而导致液体的定向收缩和伸张。这种通过气泡调节的新液体定向移动模式有望应用于微流控设备,油水分离和集水系统等。

 

 

图S1. 猪笼草口缘表面的扫描电镜(SEM)图像 (飞纳电镜 Phenom Pro)(a)、(e) 不同生长周期的口缘内表面的扫描电镜图。(b) - (d) 和 (f) - (h),猪笼草口缘表面的高倍扫描电镜图像。

 

口缘表面具有二级微槽结构,每个微槽里面周期性地排列鸭嘴状的微腔,这些结构使得猪笼草可以将液体从内侧不断地定向输运到外侧,从而在其表面形成一层湿滑的水膜,当昆虫被吸引过来后,就会从口缘滑落到捕虫笼中被捕获。[1]

 

 

图 S9. 仿猪笼草口缘结构的 PDMS 人造表面的扫描电镜图(飞纳电镜 Phenom Pro)。[2]

 

参考文献

 

[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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