仿生纳米超浸润综述速递：帝国理工李昶/李明Matter、IMR

纳米人

2021-11-10

水是自然界大多数生物生存的必要条件，而动植物王国存在着诸多奇妙的浸润现象。仿生微纳米材料浸润性相关研究，是近年来以我国为首在全世界范围内的前沿热点之一，涉及跨领域、交叉领域：生物研究学者探索揭露生物材料的特殊浸润现象；材料、化学、机械等相关领域研究通过表征分析材料表面的微纳米结构、化学组成等来进行仿生材料的设计与合成制备，并探索其在水利、能源、医药、环境等领域的应用。近日，英国帝国理工学院的李明、李昶等人在Matter、IMR等期刊发表了多篇综述。

1. International Materials Reviews: 效仿自然界的超浸润/粘附策略

本文系统地综述了相关仿生微纳米超浸润研究，涵盖研究发展历程、基础理论、自然界特殊微纳米结构浸润/粘附界面举例、制备微纳米超浸润界面的方法、微纳米超浸润界面材料的应用及展望等。不仅包括空气环境中的超浸润研究，还涵盖了水下环境中相关研究进展，对特殊微纳米结构上的液滴粘附、输运等行为给出了新的总结。

本文看点：

1) 对自然界超浸润界面进行了分类总结。如图1所示，图中每个例子均可代表一种仿生超浸润策略(如利用特殊微纳米结构或利用特殊表面化学组成等实现其性质)；尤其对相似浸润性但不同粘附性的界面进行了重新归类，不同颜色标签分别对应超疏水低粘附表面、超疏水高黏附表面、超疏水各向异性表面、水下超疏油低粘附界面。

图1. 自然界超浸润界面 (a-h)空气中超浸润(i-l)水下超浸润。

2) 文章基础理论部分总结分析了一些典型的微纳米结构上的液滴受力及浸润行为，如图2所示。例如，具体分析了微纳米沟槽结构可导致毛细压作用，几何梯度结构可导致Laplace压差作用，Janus界面、异质结构等可产生表面能梯度作用力，斜角微纳米阵列、重入结构等非对称结构上的非对称粘滞阻力可导致界面浸润或液滴运动的各向异性。这些由微纳米结构导致的作用力对于界面上液滴的粘附性、液滴运动行为产生重要影响。

 图2. 特殊微纳米结构上的液滴受力及浸润行为。

Ming Li, Chang Li*, et al. Mimicking Nature to Control Bio-Material Surface Wetting and Adhesion. International Materials Reviews, 2021.

DOI: 10.1080/09506608.2021.1995112

https://doi.org/10.1080/09506608.2021.1995112

2. Journal of the Royal Society Interface: 仿生刺激响应界面的可控浸润/粘附

仿生刺激响应智能界面是近几年来仿生超浸润领域的研发热点之一，研究内容及相关报道也十分有趣。本文按照不同的响应分类，内容涵盖空气中、水下环境的相关研究进展，并总结概括了设计不同响应性智能界面的策略。

本文看点：

1) 详细举例介绍了相关智能界面的设计并展示了其性能，响应涉及：机械伸缩响应、磁响应、光/紫外光响应、电/电压/电势响应、温度/热响应、湿度响应、pH响应。

2) 每一种特定响应都分别总结了策略，即如何利用改变特定响应中的参数，使界面的微纳米结构或化学组成/分布发生变化，从而操控界面粘附状态和液滴行为(图3)。例如，可实现滚动角随着接触角的变化而变化，或接触角变化而滚动角不变，或接触角不变而滚动角变化。

 图3. 仿生刺激响应界面的可控浸润/粘附。

Chang Li*, Ming Li*, et al. Stimuli-responsive surfaces for switchable wettability and adhesion. Journal of the Royal Society Interface, 2021, 18: 20210162.

DOI: 10.1098/rsif.2021.0162

https://doi.org/10.1098/rsif.2021.0162

3. Matter: 基于仿生超浸润界面的能量转换

利用微纳米超浸润材料的一些特殊性质，研究人员可对现有功能材料的性能进行优化，或开发新的功能材料。在电池、能源储运/转化等研究领域，将功能材料与微纳米超浸润界面结合，是近5年来全新的研究趋势和热点之一。 如图4所示，本文综述了超浸润界面在能源领域的应用，包括各种纳米发电机(PENG、TENG、PyNG)，离子通道盐差发电等。

 图4. 超浸润界面在能源领域的应用。

本文看点：

1) 将微纳米超浸润领域最新提出的相关具有重要意义的概念进行了解释说明，如介绍了二元协同界面材料，详细介绍了量子限域超流体及其应用(图5)。

图5. 量子限域超流体及其应用。

2) 重点总结介绍了几种新颖的固-液纳米发电机(图6)，如压电纳米发电机、摩擦电纳米发电机、热释电纳米发电机；还介绍了利用离子通道收集盐差能发电(图7)。涉及高分子材料、半导体、碳材料等具有相应介电效应的材料作为基底；利用相应效应发电时可借助自然界中难以被利用的水资源及其能量或其他绿色能源，如雨滴滴落的动能、水流波浪的能量、海水与河水的盐差能、太阳能等。

 图6. 基于超浸润界面的水能收集-纳米发电机。

 图7. 利用离子通道收集盐差能发电。

3) 还简要介绍了微纳米超浸润界面在热量转移(图8A)、太阳能蒸汽(图8B)、电池等其他能源领域的新兴应用。

 图8. 基于超浸润界面的热相关应用。

4) 站在微纳米超浸润材料研究者角度，评述相关材料在其他应用领域发展，可能获得独到见解。展望部分指出，一些研究仅采用简单的超浸润设计(如超亲水、超疏水)就可使相关功能显著提升，进一步研究可尝试浸润性或微纳米结构设计更为精妙的表面，如各向异性/梯度浸润性表面、刺激响应表面等。此外，相关发电研究主要基于操控水滴行为，事实上在微纳米超浸润材料已实现操控冰的行为，如防覆冰材料相关研究可实现操控结冰、控制冰液滴运动等。自然界的水资源最大量未被开发的其实是以冰的形式，可尝试研究操控冰滴发电。

Ming Li*, Chang Li*, et al. Energy conversion based on bio-inspired superwetting interfaces. Matter 2021, 4(11), 3400-3414.

DOI: 10.1016/j.matt.2021.09.018

https://authors.elsevier.com/c/1e0ie_wvImiLjl (期刊授权作者开放分享链接，2021.11.4-12.23有效)

通讯作者简介：

李昶 博士，英国帝国理工学院，机械工程系，师从Bamber Blackman教授，主要研究方向为材料表面浸润与粘附性，包括复合材料粘接前表面预处理及其微纳米形貌、浸润性表征等。2019年硕士毕业于北京航空航天大学，硕士期间师从郑咏梅教授研究仿生超浸润微纳米界面材料。

李明 博士，英国帝国理工学院，材料系，先进结构陶瓷中心，师从Eduardo Saiz教授，帝国理工“校长学者”团队成员。目前的研究涵盖材料化学的许多领域，包括智能软物质的构造（超分子聚合物和凝胶，自组装聚合物纳米结构）以及具有战略意义的智能界面材料（多级响应的界面，特殊浸润性功能界面）。

联系方式 (获取原文、学术交流)：

李昶 国内邮箱：hamster@188.com 微信：LC348446764