“仿生材料表界面設(shè)計與制造”專題序言

隨著人們對自然生物機理認知的逐步深入和微納加工技術(shù)的進步，仿生材料的發(fā)展將材料科學(xué)推向了新高度。如何運用仿生策略簡單高效地設(shè)計和制造出結(jié)構(gòu)功能一體化的智能仿生機械表面，使其足以應(yīng)對多物理場耦合的復(fù)雜工作環(huán)境是當(dāng)前研究的重點和難點問題，而解決這一難題的關(guān)鍵在于要明晰生物材料表界面的微納動力學(xué)和熱力學(xué)行為規(guī)律。近年來，仿生材料與界面科學(xué)的交叉融合使仿生表界面在能源、醫(yī)療、軍事、建筑等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。因此編輯組策劃了本期“仿生材料表界面設(shè)計與制造”專題，分享國內(nèi)外仿生材料在防冰減阻、流體定向輸運、海水淡化等方面的理論研究與應(yīng)用，反映一些熱點問題和研究進展，為從事關(guān)鍵機械部件表面處理、多功能界面材料設(shè)計與開發(fā)的相關(guān)研究人員提供一個相互交流的平臺。

理論研究一直是仿生材料表界面設(shè)計領(lǐng)域重要研究內(nèi)容之一，對指導(dǎo)仿生材料的設(shè)計與性能調(diào)控具有重要價值。姜又華等通過本征液滴接觸角、體積與球面曲率半徑等已知量，結(jié)合液滴的釘扎實驗，基于吉布斯自由能公式建立了一個液滴在固體球面上的宏觀前進與后退角的預(yù)測模型，為彎曲固-液界面潤濕預(yù)測提供了可靠的理論指導(dǎo)。張成春等基于三相接觸線“去釘扎”理論、接觸時間等因素，深入剖析了各種生物對潤濕現(xiàn)象的優(yōu)異控制能力和功能原理，并按“被動脫水”和“主動脫水”歸納表面動態(tài)脫水行為及應(yīng)用優(yōu)劣勢。郝崇磊等深入分析了昆蟲等小型動物在多相界面中的行為及機理，發(fā)現(xiàn)了潤濕、動態(tài)粘附、可調(diào)節(jié)的各向異性摩擦等界面性質(zhì)在小型動物的運動特性中的決定性作用，總結(jié)了其對機器人小型化的指導(dǎo)。劉亞華等綜述了通過仿生結(jié)構(gòu)和外場作用實現(xiàn)浸潤性表面上液滴定向輸運的研究進展，詳細推導(dǎo)了其基于拉普拉斯壓力差或表面能梯度的驅(qū)動機理，并系統(tǒng)闡述了磁、光、電等外場對液滴定向輸運的作用原理。

通過深入了解生物結(jié)構(gòu)的底層邏輯，利用現(xiàn)有的工業(yè)材料和成熟的工藝，研究者近年來在制造仿生結(jié)構(gòu)、優(yōu)化表界面的性能方面取得了重大突破。張俊秋等受具有優(yōu)異抗沖蝕性能的沙漠植物紅柳的凹槽結(jié)構(gòu)啟發(fā)，通過有限元軟件建立基于紅柳樹皮形態(tài)的仿生表面模型進行了數(shù)值模擬，并通過實驗分析不同模型變量對抗沖蝕磨損性能的貢獻，制造和優(yōu)化了具有優(yōu)異抗沖蝕性能的離心風(fēng)機仿生葉輪。沈一洲等比較了超疏水涂層、超潤滑涂層和低界面韌性涂層三種除冰技術(shù)的工藝、機理和性能，重點闡述了新型低界面韌性表面通過誘導(dǎo)固-冰界面產(chǎn)生微裂紋，在面向航天器的大面積除冰需求所具備的優(yōu)勢。除了能提高表界面的防護性能和使用壽命，仿生材料還貢獻了操控表界面流體運動的解決方案。田野等著重聚焦于仿蛛絲纖維的集水原理，總結(jié)了當(dāng)前制備的工藝及存在的問題，具體分析了該項技術(shù)的發(fā)展前景。同時，仿生材料也向著智能化方向發(fā)展，為仿生材料的應(yīng)用帶來革命性的進步。薛龍建等通過光刻巧妙地將PDMS 與聚苯乙烯小球結(jié)合，再通過機械拉伸和松弛獲得仿皮膚的“雞皮疙瘩”，實現(xiàn)了表面微觀結(jié)構(gòu)不同粗糙度的可逆調(diào)控，并依托毛細管投影傳感技術(shù)定量表征了液滴在該表面的摩擦力，揭示了滾動角測試所無法揭示的液固界面作用規(guī)律，為智能表面的設(shè)計和應(yīng)用提供了新思路。此外，直接將修飾后的生物質(zhì)材料引入設(shè)計的仿生策略能有效保留原結(jié)構(gòu)，并兼具成本和環(huán)保方面的優(yōu)勢。孫壯志等以具有良好親水性、固有水傳輸微通道和低導(dǎo)熱系數(shù)的天然木材為基底，通過去除木質(zhì)素、冷凍干燥以及表面改性等特殊處理，結(jié)合光熱吸收層和減反層，得到具有優(yōu)異吸光性、親水性、隔熱性以及微通道-多孔結(jié)構(gòu)的海水淡化蒸發(fā)器，指導(dǎo)了新一代太陽能海水淡化裝置的設(shè)計及制備。