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  定向液體輸運(yùn)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(guò)程能耗大、可持續(xù)性差，且在實(shí)際環(huán)境中往往難以兼顧高效輸運(yùn)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(rùn)濕梯度驅(qū)動(dòng)，無(wú)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(shí)環(huán)境下的應(yīng)用擴(kuò)展。

  針對(duì)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(tuán)隊(duì)受仙人掌刺和沙漠甲蟲(chóng)等自然結(jié)構(gòu)啟發(fā)，提出一種創(chuàng)新性的仿生設(shè)計(jì)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(guò)TiO₂修飾與紫外誘導(dǎo)手段實(shí)現(xiàn)表面梯度潤(rùn)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(yùn)能力。該梯度潤(rùn)濕楔形表面在水平方向上實(shí)現(xiàn)高達(dá)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(yùn)，顯示出拉普拉斯壓力與表面能梯度的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)。進(jìn)一步結(jié)合仿仙人掌刺的霧滴捕獲結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了可自復(fù)位的霧驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)了水滴捕獲—輸運(yùn)—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(jì)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、加拿大自然科學(xué)與工程研究委員會(huì)的資助。

圖1. 梯度潤(rùn)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(rùn)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(yáng)光暴露7天前后接觸角分布的比較.

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

圖7. (a)霧驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置的組成和潛在應(yīng)用。（b）霧驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置工作過(guò)程的示意圖。（c）霧驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置在人工引入水滴下的操作。（d）霧驅(qū)動(dòng)動(dòng)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(rùn)濕性的生物啟發(fā)楔形木材表面，從而實(shí)現(xiàn)有效和可控的自發(fā)定向液體傳輸。通過(guò)仔細(xì)利用木材的天然各向異性結(jié)構(gòu)，并通過(guò)精確的化學(xué)和光化學(xué)改性引入梯度潤(rùn)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(jìn)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(dá)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(dòng)動(dòng)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(gè)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(yàn)證了其可靠性和穩(wěn)定性。值得注意的是，這項(xiàng)工作不僅為開(kāi)發(fā)生物啟發(fā)的液體管理表面提供了一種可擴(kuò)展的方法，而且還通過(guò)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(duì)石油基合成材料的依賴，減少環(huán)境足跡，并增強(qiáng)可持續(xù)性。加工方法的簡(jiǎn)單性和成本效益使這種基于木材的設(shè)計(jì)易于擴(kuò)展到現(xiàn)實(shí)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(jì)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(lái)的研究可以集中在進(jìn)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(qiáng)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