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  定向液體輸運技術(shù)在微流控、水資源管理和能源采集等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，但主流材料多依賴復(fù)雜微納加工或高成本合成方法，制備過程能耗大、可持續(xù)性差，且在實際環(huán)境中往往難以兼顧高效輸運與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。特別是多數(shù)仿生表面僅單一借助幾何結(jié)構(gòu)或潤濕梯度驅(qū)動，無法在重力或傾斜條件下保持高效和連續(xù)的液體傳輸，嚴(yán)重限制其在現(xiàn)實環(huán)境下的應(yīng)用擴展。

  針對上述挑戰(zhàn)，南京林業(yè)大學(xué)呂建雄研究員與多倫多大學(xué)顏寧教授團隊受仙人掌刺和沙漠甲蟲等自然結(jié)構(gòu)啟發(fā)，提出一種創(chuàng)新性的仿生設(shè)計策略：利用木材天然的各向異性和多孔網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建楔形結(jié)構(gòu)并通過TiO₂修飾與紫外誘導(dǎo)手段實現(xiàn)表面梯度潤濕性調(diào)控，從而在不依賴復(fù)雜加工的前提下，賦予木材優(yōu)異的定向液體輸運能力。該梯度潤濕楔形表面在水平方向上實現(xiàn)高達8.9 mm/s的液體遷移速率，在垂直逆重力條件下亦可穩(wěn)定輸運，顯示出拉普拉斯壓力與表面能梯度的協(xié)同增強效應(yīng)。進一步結(jié)合仿仙人掌刺的霧滴捕獲結(jié)構(gòu)，團隊構(gòu)建了可自復(fù)位的霧驅(qū)動裝置，實現(xiàn)了水滴捕獲—輸運—釋放—能量轉(zhuǎn)化的高效耦合，為大氣水收集與環(huán)境能利用提供了低碳、綠色的解決方案。本研究不僅拓展了天然材料在液體調(diào)控領(lǐng)域的應(yīng)用邊界，也為仿生功能表面設(shè)計提供了可持續(xù)的技術(shù)路徑。

  該論文以題為“Bioinspired Wood-Based Wedge-Shaped Surface with Gradient Wettability for Enhanced Directional Liquid Transport and Fog Harvesting”發(fā)表在《Materials Horizons》上。南京林業(yè)大學(xué)陳凱文為第一作者。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、加拿大自然科學(xué)與工程研究委員會的資助。

圖1. 梯度潤濕楔形木的制備工藝。

圖2. 樣品的形貌和結(jié)構(gòu)。（a）樣品表面的數(shù)字照片和3D輪廓;（B）橫截面和縱截面顯微結(jié)構(gòu)的SEM圖像。

圖3. （a）三種梯度潤濕性楔形木材樣品的制備工藝。（b）HWW的微觀結(jié)構(gòu)和成分分布。（c）G1-GWW、G2-GWW和G3-GWW自然陽光暴露7天前后接觸角分布的比較.

圖4. （a）接觸角測角器快照，顯示水滴在三個梯度潤濕楔形木材表面（GWWs）上的定向運動，楔形角度相同為91 °。（B）水滴在相同三個GWWs上傳輸?shù)墓鈱W(xué)相機圖像。（c）水滴在三個GWWs上具有不同初始體積的平均傳輸速度。（d）水在三個GWWs上遷移的數(shù)值模擬（楔角= 91）。(e)說明水平定向GWW表面上的液滴遷移機制的示意圖。

圖5. 視頻快照顯示了具有三種不同楔角的G3-GWW樣品上的定向液滴傳輸，（a）傾斜視圖和（b）側(cè)視圖捕獲。（c）具有不同楔角的G3-GWW樣品上具有不同體積的液滴的最終傳輸距離。（d）具有不同楔角的G3-GWW樣品上具有不同體積的液滴的平均傳輸速度。

圖6. （a）不同傾角下G3-GWW（楔角：91）上定向液滴傳輸?shù)囊曨l快照。（B）不同傾角下G3-GWW（楔角：91）上不同體積液滴的平均傳輸速度。（c）傾斜G3-GWW上液滴傳輸?shù)臋C制。

圖7. (a)霧驅(qū)動動力裝置的組成和潛在應(yīng)用。（b）霧驅(qū)動動力裝置工作過程的示意圖。（c）霧驅(qū)動動力裝置在人工引入水滴下的操作。（d）霧驅(qū)動動力裝置在模擬霧環(huán)境中的操作。

  本研究介紹了一種具有梯度潤濕性的生物啟發(fā)楔形木材表面，從而實現(xiàn)有效和可控的自發(fā)定向液體傳輸。通過仔細利用木材的天然各向異性結(jié)構(gòu)，并通過精確的化學(xué)和光化學(xué)改性引入梯度潤濕性，所得木材表面表現(xiàn)出拉普拉斯壓力和表面能梯度的協(xié)同效應(yīng)。特別是，這些特征促進了在水平和傾斜條件下的出色的液體輸送性能，在水平表面上表現(xiàn)出高達8.9mm s^-1的輸送速率，在垂直表面上克服重力向上表現(xiàn)出0.64mm s^-1的輸送速率。此外，該系統(tǒng)在霧驅(qū)動動力裝置中的應(yīng)用，突出了其在水資源管理和能量轉(zhuǎn)換方面的巨大潛力。在10個連續(xù)循環(huán)中，該裝置每30秒持續(xù)分離重約100mg的液滴，驗證了其可靠性和穩(wěn)定性。值得注意的是，這項工作不僅為開發(fā)生物啟發(fā)的液體管理表面提供了一種可擴展的方法，而且還通過利用木材為合成材料提供了一種可持續(xù)的替代品。作為一種可再生和可生物降解的自然資源，木材具有相當(dāng)大的環(huán)境效益，例如減少對石油基合成材料的依賴，減少環(huán)境足跡，并增強可持續(xù)性。加工方法的簡單性和成本效益使這種基于木材的設(shè)計易于擴展到現(xiàn)實世界的應(yīng)用，包括戶外霧收集設(shè)施和可持續(xù)液體管理系統(tǒng)。此外，幾何設(shè)計和表面功能的集成為微流體、環(huán)境工程、在這種情況下，未來的研究可以集中在進一步優(yōu)化不同液體和環(huán)境條件下的梯度控制，以及增強木質(zhì)表面的耐用性，響應(yīng)性和多功能性。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D5MH00440C