自然界的介觀結(jié)構(gòu)是億萬年優(yōu)化的“超材料”，而仿生科學(xué)的使命，是以工程智慧解碼其物理本質(zhì)，重塑人類技術(shù)邊界。本期谷·專欄分享的研究成果，不僅為毛細(xì)流體學(xué)開辟了新范式，更預(yù)示著一個自驅(qū)動、低能耗、高通量的流體技術(shù)新時代。

“3D Science Valley 白皮書 圖文解析

在毛細(xì)管作用的驅(qū)動下，液體接觸超親液粗糙表面時會自發(fā)擴(kuò)散到紋理中；這被稱為毛細(xì)管芯吸，在微流體、自清潔表面設(shè)計(jì)和芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)等中廣泛應(yīng)用，具有重要意義。然而，由于缺乏制造技術(shù)，介觀尺度粗糙度下的吸液現(xiàn)象研究甚少。受生長于南美的小太陽瓶子草 (Heliamphora minor) 的啟發(fā)，來自中科院的研究團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)制造模擬了介觀毛狀體陣列，并研究了高通量毛細(xì)管芯吸過程。與微紋理表面上均勻厚度的攀爬膜不同，毫米級長度和亞毫米間距的毛狀體的間隔填充會形成厚度不均勻的薄膜。與微紋理表面占主導(dǎo)地位的粘性耗散不同，文章揭示了一種慣性主導(dǎo)的過渡區(qū)，具有介觀芯吸動力學(xué)，并構(gòu)建了一個標(biāo)度律，使得高度在不同條件下增長到時間的三分之二次方。最后，研究團(tuán)隊(duì)擬植物的營養(yǎng)供應(yīng)方式，研究了非均勻厚度薄膜內(nèi)部的質(zhì)量輸送，并在薄膜中實(shí)現(xiàn)了開放系統(tǒng)虹吸，其通量飽和條件由實(shí)驗(yàn)確定。這項(xiàng)工作探索了介觀結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)管芯吸，并在低成本高通量開放流體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中具有潛在的應(yīng)用價值。

主要內(nèi)容

01自然界的流體大師：小太陽瓶子草

在南美洲的云霧森林中，一種名為小太陽瓶子草 (Heliamphora minor) 的食蟲植物悄然生長。它的瓶狀葉片內(nèi)壁布滿密密麻麻的毫米級毛狀體，這些看似簡單的結(jié)構(gòu)，卻是自然界歷經(jīng)億萬年進(jìn)化而來的流體傳輸神器。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雨水或露珠落入瓶內(nèi)，液體會在毛狀體陣列上自發(fā)形成潤滑層，不僅幫助瓶子草誘捕昆蟲，還能高效排出多余水分，防止瓶內(nèi)積水腐爛。這種介觀尺度 (毫米級長度+亞毫米間距) 的毛狀體結(jié)構(gòu)，完美平衡了毛細(xì)作用與流體慣性，成為科學(xué)家破解高通量流體傳輸難題的新鑰匙。

科學(xué)冷知識！

傳統(tǒng)微流體器件依賴微觀結(jié)構(gòu) (微米級)，但受限于低流量；而宏觀管道又需要外部泵驅(qū)動。小太陽瓶子草的介觀結(jié)構(gòu)恰恰填補(bǔ)了這一空白！

小太陽瓶子草的表征

02科學(xué)突破：3D打印仿生毛刷陣列

中科院團(tuán)隊(duì)用紫外光固化3D打印 (精度18微米！) 復(fù)刻了豬籠草的毛狀體結(jié)構(gòu)。

仿生毛狀體陣列毛細(xì)管芯吸的微觀視圖與膜厚度分析

通過實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)了三個顛覆性現(xiàn)象：

1. 非均勻液膜：打破傳統(tǒng)認(rèn)知

在微觀紋理表面上，液體通常形成均勻厚度的攀爬膜。但仿生介觀毛刷陣列上，液體卻呈現(xiàn)“上薄下厚”的非均勻分布，形如懸鏈線 (即兩端固定自然下垂的曲線)。這種結(jié)構(gòu)能自發(fā)形成壓力梯度，底部高壓推動液體向上輸送，頂部低壓則維持流動穩(wěn)定性。

彎月面輪廓受力分析

2. 慣性主導(dǎo)區(qū)：新標(biāo)度律誕生

傳統(tǒng)毛細(xì)理論認(rèn)為，液體爬升高度 (H) 與時間 (t) 的關(guān)系遵循盧卡斯-沃什伯恩方程 (H∝t1/2)，即粘滯力主導(dǎo)。但團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，介觀毛刷上的液體在過渡區(qū)竟呈現(xiàn)H∝t2/3的關(guān)系，證明慣性力才是關(guān)鍵驅(qū)動力！這一發(fā)現(xiàn)為高通量流體設(shè)計(jì)提供了全新理論框架。

3. 開放虹吸：無泵自驅(qū)動

團(tuán)隊(duì)將毛刷陣列彎曲成n形，打造出無需封閉管道的開放虹吸系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)顯示，其流量可達(dá)傳統(tǒng)虹吸的3倍，且僅靠毛細(xì)力即可跨高度輸水。更妙的是，通過調(diào)節(jié)入口高度差 (h?)，還能實(shí)現(xiàn)流量精準(zhǔn)控制——這一特性在微灌溉和芯片散熱中潛力巨大。

絨毛陣列改性裝置的毛細(xì)汲水效果對比

為什么重要？

現(xiàn)有微流體技術(shù)依賴復(fù)雜泵閥，而豬籠草仿生方案僅需結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動、高流量、低能耗的流體操控！

03仿生應(yīng)用：從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)

這項(xiàng)發(fā)表于Biomimetics 的研究，不僅揭示了自然界的流體奧秘，更催生了一系列顛覆性應(yīng)用：

1. 芯片散熱：告別風(fēng)扇與水泵

電子器件發(fā)熱是制約算力提升的瓶頸。仿生毛刷陣列可通過毛細(xì)作用自動輸送冷卻液，且流量遠(yuǎn)超微流道。未來手機(jī)或服務(wù)器可能內(nèi)置“電子豬籠草”，靜默高效降溫。

2. 農(nóng)業(yè)灌溉：零能耗輸水系統(tǒng)

在干旱地區(qū)，開放虹吸結(jié)構(gòu)能利用晝夜溫差凝結(jié)露水，并通過毛刷陣列自動輸送到作物根部，減少90%的能源消耗。團(tuán)隊(duì)已在實(shí)驗(yàn)室模擬沙漠環(huán)境測試成功。

3. 物質(zhì)傳輸：仿生“植物靜脈”

通過溶解營養(yǎng)物質(zhì) (如糖、鹽) 的實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)非均勻液膜會優(yōu)先在薄層區(qū)蒸發(fā)，使溶質(zhì)定向結(jié)晶于頂部。這一機(jī)制可應(yīng)用于藥物緩釋貼片或微反應(yīng)器設(shè)計(jì)。

結(jié)論與展望

本研究通過仿生設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)，成功復(fù)現(xiàn)了小太陽瓶子草 (Heliamphora minor) 的介觀毛狀體結(jié)構(gòu)，揭示了其毛細(xì)芯吸過程中的慣性主導(dǎo)機(jī)制與非均勻液膜動力學(xué)，并建立了高度-時間標(biāo)度律 (H∝t2/3)，填補(bǔ)了介觀尺度流體傳輸?shù)睦碚摽瞻住１狙芯刻岢龅慕橛^毛細(xì)理論證明，毫米級結(jié)構(gòu)可通過慣性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高通量、自驅(qū)動的流體傳輸。基于此開發(fā)的開放虹吸系統(tǒng)，無需外部泵驅(qū)動即可達(dá)成3倍于傳統(tǒng)虹吸的流量，為微流控、芯片散熱及農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域提供了革新性解決方案。

當(dāng)科學(xué)家向自然提問，答案早已寫在億萬年的進(jìn)化里。自然界的介觀結(jié)構(gòu)是億萬年優(yōu)化的“超材料”，而仿生科學(xué)的使命，是以工程智慧解碼其物理本質(zhì)，重塑人類技術(shù)邊界。這項(xiàng)研究不僅為毛細(xì)流體學(xué)開辟了新范式，更預(yù)示著一個自驅(qū)動、低能耗、高通量的流體技術(shù)新時代。

轉(zhuǎn)載自：MDPI工程材料

原文出自 Biomimetics期刊

Chen, F.; Cheng, Z.; Jiang, L.; Dong, Z. Capillary Wicking on

Heliamphora minor-Mimicking Mesoscopic Trichomes Array. Biomimetics2024, 9, 102.

閱讀英文原文

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投稿丨daisylinzhu 微信

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