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作 者

廉中旭、周建輝、任萬(wàn)飛、陳發(fā)澤、許金凱、田延嶺、于化東

機(jī) 構(gòu)

吉林大學(xué)

長(zhǎng)春理工大學(xué)

天津大學(xué)

University of Warwick

Citation

Lian Z X, Zhou J H, Ren W F, Chen F Z, Xu J K, Tian Y L, Yu H D. 2024. Recent progress in bio-inspired macrostructure array materials with special wettability—from surface engineering to functional applications. Int. J. Extrem. Manuf.6012008.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad0471

撰稿 | 文章作者

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文章導(dǎo)讀

仿生特殊潤(rùn)濕性宏觀陣列結(jié)構(gòu)材料（Macrostructure array materials with special wettability，以下簡(jiǎn)稱：MAAMs-SW）是指具有特殊潤(rùn)濕性和尺寸在幾百微米到幾毫米（亞毫米級(jí)、毫米級(jí)）周期性結(jié)構(gòu)特征的功能性表面。這類表面因具有液滴操縱、抗結(jié)冰、水收集、減阻、傳熱及油水分離等功能，在航空、航海、能源、環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得實(shí)際應(yīng)用，展示出其具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。與特殊潤(rùn)濕性微納結(jié)構(gòu)表面相比，仿生MAAMs-SW的制備工藝更為成熟簡(jiǎn)單，具有良好的成本優(yōu)勢(shì)，適合工業(yè)化生產(chǎn)。然而，目前少有文獻(xiàn)對(duì)仿生MAAMs-SW研究進(jìn)行系統(tǒng)整理。為了指導(dǎo)研究人員探索新理論、新技術(shù)和新應(yīng)用，快速推動(dòng)仿生MAAMs-SW方向的發(fā)展，近期，吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院于化東教授、長(zhǎng)春理工大學(xué)跨尺度微納制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廉中旭博士、許金凱教授、任萬(wàn)飛博士、周建輝碩士生、天津大學(xué)陳發(fā)澤博士和英國(guó)華威大學(xué)田延嶺準(zhǔn)教授在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發(fā)表《仿生特殊潤(rùn)濕性宏觀陣列結(jié)構(gòu)材料的最新研究進(jìn)展—從表面工程到功能應(yīng)用》的綜述，系統(tǒng)總結(jié)了仿生MAAMs-SW的最新研究：首先回顧了MAAMs-SW的基本理論與設(shè)計(jì)理念；然后通過(guò)對(duì)增材制造、減材制造及等材制造三種加工方式進(jìn)行分類，重點(diǎn)關(guān)注了MAAMs-SW的制備策略，并全面介紹了仿生MAAMs-SW的應(yīng)用現(xiàn)狀（圖1），闡述了仿生MAAMs-SW的宏觀結(jié)構(gòu)-潤(rùn)濕性-功能之間的關(guān)系；最后，提出了實(shí)現(xiàn)理想高性能MAAMs-SW所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞

宏觀陣列結(jié)構(gòu)；超疏水；3D打印；激光；液滴操縱

亮 點(diǎn)

• 闡述了MAAMs-SW的基本理論與設(shè)計(jì)理念;

• 從增材制造、減材制造及等材制造三個(gè)方面歸納總結(jié)了MAAMs-SW的制備策略;

• 介紹了MAAMs-SW的多樣化應(yīng)用方向;

• 展望了MAAMs-SW未來(lái)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

圖1仿生MAAMs-SW的制備策略與應(yīng)用領(lǐng)域。水稻葉：經(jīng)許可使用。版權(quán)所有（2016）The Royal Society of Chemistry。液滴操縱、槐葉萍、油水分離、靈巧潤(rùn)濕性：經(jīng)許可使用。版權(quán)所有（2022、2010、2022、2019）Wiley。沙漠甲蟲、仙人掌、蜘蛛絲、豬籠草、機(jī)械穩(wěn)定性：經(jīng)許可使用。版權(quán)所有（2001、2012、2010、2016、2020）Nature Publishing Group。跳蟲、水收集：經(jīng)許可使用。CC BY 4.0。南洋杉葉：經(jīng)許可使用。版權(quán)所有（2021）AAAS。拒油、傳熱：經(jīng)許可使用。版權(quán)所有（2021）Elsevier。水下保氣：經(jīng)許可使用。版權(quán)所有（2022）American Chemical Society。

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研究背景

固體表面結(jié)構(gòu)普遍被認(rèn)為是存在一個(gè)宏觀、微觀和納觀的明確界限，即宏觀結(jié)構(gòu)、微米級(jí)結(jié)構(gòu)和納米級(jí)結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，宏觀陣列結(jié)構(gòu)功能表面由于在潤(rùn)濕性、減粘脫附性、光學(xué)特性、耐磨性、散熱性、冷凝特性等方面具有特定功能而受到廣泛關(guān)注，這些功能主要?dú)w功于表面上存在的規(guī)則高深寬比紋理結(jié)構(gòu)、確定幾何特征的拓?fù)湫螤睿ㄈ绨疾坳嚵小⑼哥R陣列、金字塔陣列等）。

大自然是人類最好的導(dǎo)師。受荷葉、蟬翼、蚊子復(fù)眼等生物表面啟發(fā)，基于仿生學(xué)的具有微/納米陣列結(jié)構(gòu)（尺寸：1nm~100μm）的特殊潤(rùn)濕性表面研究成為當(dāng)今熱點(diǎn)之一。這些表面因其具有特殊潤(rùn)濕性和結(jié)構(gòu)特征，在自清潔、抗結(jié)冰、防腐蝕、傳熱、油水分離等多個(gè)領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。然而，許多生物表面的宏觀陣列結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)大于上述尺寸，一般范圍從100μm到幾毫米（亞毫米和毫米級(jí)），比如像水稻葉、沙漠甲蟲鞘翅、仙人掌和南洋杉葉等。受這些自然界中發(fā)現(xiàn)的宏觀結(jié)構(gòu)和微/納米結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了大量MAAMs-SW。例如，受水稻葉啟發(fā)的宏觀凹槽陣列顯示出明顯的各向異性特征，為液滴操縱提供了獨(dú)特的思路。受沙漠甲蟲啟發(fā)的毫米級(jí)突起結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)冷凝，從而提高集水性能。具有宏觀錐柱陣列的超疏水表面可以大大縮短液滴與表面之間的接觸時(shí)間，使過(guò)冷水在結(jié)冰之前脫離表面，可以從根本上解決過(guò)冷水結(jié)冰附著問(wèn)題。在油水分離過(guò)程中，傳統(tǒng)的特殊潤(rùn)濕性微孔或納米孔網(wǎng)膜在分離高粘度油水混合物時(shí)容易發(fā)生堵塞，導(dǎo)致油水分離過(guò)程無(wú)法持續(xù)進(jìn)行，而受仙人掌啟發(fā)的宏觀錐陣列可以避免這一問(wèn)題。就機(jī)械穩(wěn)定性而言，由充當(dāng)“盔甲”的宏觀陣列結(jié)構(gòu)可以為脆弱的超疏水納米結(jié)構(gòu)/涂層提供物理保護(hù)。本文對(duì)基于仿生學(xué)的MAAMs-SW的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

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最新進(jìn)展

近年來(lái)的研究主要集中在潤(rùn)濕性相關(guān)理論、自然界生物的代表性結(jié)構(gòu)特征、仿生MAAMs-SW制備策略以及仿生MAAMs-SW應(yīng)用等四個(gè)方面。

潤(rùn)濕性相關(guān)理論表面結(jié)構(gòu)與潤(rùn)濕性的內(nèi)在聯(lián)系一直是科學(xué)家們廣泛關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。本文介紹了經(jīng)典潤(rùn)濕模型，包括Young模型、Wenzel模型、Cassie模型以及凹角模型，提出了適用于宏觀陣列結(jié)構(gòu)的靜態(tài)接觸角預(yù)測(cè)模型，從表面能梯度和Laplace壓力梯度等角度分析了宏觀陣列結(jié)構(gòu)表面特殊潤(rùn)濕行為的基本原理，如圖2所示。

圖2潤(rùn)濕性相關(guān)理論與模型。（a）Young模型。（b）Wenzel模型。（c）Cassie模型。（d）液體注入超滑表面。（e）凹角模型。（f）凹角模型理論。（g）超疏水宏觀陣列結(jié)構(gòu)。（h）數(shù)學(xué)模型。（i）表面能梯度。（j）Laplace壓力梯度。（i和j）經(jīng)許可使用。版權(quán)所有（2014）American Chemical Society。

自然界生物的代表性結(jié)構(gòu)特征為了適應(yīng)不同的環(huán)境，自然界中的生物已進(jìn)化出了各式各樣的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)為研究人員設(shè)計(jì)和制備MAAMs-SW提供了豐富的靈感源泉。本文總結(jié)了自然界中生物表面上不同尺度的代表性結(jié)構(gòu)，如水稻葉、槐葉萍、沙漠甲蟲鞘翅、仙人掌和南洋杉葉等宏觀結(jié)構(gòu)代表和跳蟲、蜘蛛絲、豬籠草、蝴蝶翅膀和鯊魚皮等微觀/納觀結(jié)構(gòu)代表，如圖3所示。

圖3具有特殊潤(rùn)濕性的典型生物。（a）水稻葉：經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。版權(quán)所有（2012）The Royal Society of Chemistry和（2012）Wiley。（b）槐葉萍：經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。版權(quán)所有（2010）Wiley。（c）沙漠甲蟲鞘翅：經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。版權(quán)所有（2001）Nature Publishing Group。（d）仙人掌：經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。版權(quán)所有（2012）Nature Publishing Group。（e）南洋杉葉：經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。版權(quán)所有（2021）AAAS。（f）跳蟲：經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。（g）蜘蛛絲：經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。版權(quán)所有（2010）Nature Publishing Group。（h）豬籠草：經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。版權(quán)所有（2016）Nature Publishing Group。（i）蝴蝶翅膀：經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。版權(quán)所有（2009）Springer。（j）鯊魚皮：經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。版權(quán)所有（2012）The Royal Society of Chemistry。

仿生MAAMs-SW制備策略制造技術(shù)從制造原理上可以分為增材制造、減材制造和等材制造等三類，這三種方法經(jīng)常被用于制備仿生MAAMs-SW。本文以3D打印，激光刻蝕、電火花加工、機(jī)械加工、電解刻蝕，模板法和壓印法為例，從增材制造、減材制造及等材制造三個(gè)方面歸納總結(jié)了MAAMs-SW的制備策略，并詳細(xì)對(duì)比了每種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。圖4為3D打印MAAMs-SW的典型案例。

圖4 3D打印MAAMs-SW。（a）光固化成型打印的鯊魚皮結(jié)構(gòu)。（b）鯊魚皮結(jié)構(gòu)的多尺度打印模型。（c）光固化成型打印的仿荷葉超疏水表面。（a）-（c）經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。版權(quán)所有（2019）Wiley。（d）投影微立體光刻示意圖。（e）投影微立體光刻打印的宏觀凹入棘輪陣列的SEM圖像。（f）和（g）兩種不同類型的宏觀棘輪結(jié)構(gòu)的SEM圖像。（h）和（i）水-乙醇混合液在兩種不同類型的宏觀棘輪結(jié)構(gòu)上的擴(kuò)散行為。（d）-（i）經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。（j）ISA-3D打印系統(tǒng)原理圖。（k）ISA-3D打印系統(tǒng)制造的宏觀打蛋器陣列的SEM圖像。（j）和（k）經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。版權(quán)所有（2018）Wiley。

仿生MAAMs-SW應(yīng)用方向仿生MAAMs-SW的功能應(yīng)用方面的研究不僅是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，也是備受工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。本文介紹了仿生MAAMs-SW的一些典型應(yīng)用，包括液體/液滴操縱、水收集、油水分離、減阻、防冰、傳熱、拒油性、水下保氣、智能潤(rùn)濕性和機(jī)械穩(wěn)定性，并且對(duì)每種應(yīng)用的潤(rùn)濕類型、結(jié)構(gòu)特征、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)與分析比較。圖5為仿生MAAMs-SW在水收集方面的典型應(yīng)用案例。

圖5 仿生MAAMs-SW的水收集性能。（a）和（b）具有宏觀柱陣列結(jié)構(gòu)的超疏水-親水表面的水收集機(jī)制和收集過(guò)程。（a）和（b）經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。版權(quán)所有（2023）Elsevier。（c）和（d）水滴在超親水宏觀陣列結(jié)構(gòu)折紙上的反重力、定向和自發(fā)輸送示意圖，以及實(shí)際的輸送過(guò)程。（c）和（d）經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。版權(quán)所有（2023）Wiley。（e）具有不對(duì)稱性的宏觀突起陣列結(jié)構(gòu)的仿生超滑表面的設(shè)計(jì)原理。（f）和（g）水收集圖像和數(shù)據(jù)。（e）-（g）經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。版權(quán)所有（2016）Nature Publishing Group。（h）仿蜘蛛絲纖維的SEM圖像。（i）和（j）仿蜘蛛絲纖維收集水滴的光學(xué)圖像。（k）仿蜘蛛網(wǎng)的水收集表現(xiàn)。（h）-（k）經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。（l）具有宏觀陣列結(jié)構(gòu)的水凝膠膜的全天水收集示意圖。（m）白天和（n）夜間水收集模式，以及相應(yīng)的水收集量。（l）-（n）經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。

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未來(lái)展望

仿生MAAMs-SW在許多工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可以應(yīng)對(duì)全球日益增長(zhǎng)的環(huán)境和能源危機(jī)。盡管在探索MAAMs-SW的制造和應(yīng)用方面取得了很大進(jìn)展，但仍有一些困難和挑戰(zhàn)需要克服。（1）目前研究人員仍然使用70多年甚至200多年前提出的潤(rùn)濕模型，有必要在極端尺度（分子甚至原子）上發(fā)展新的理論。（2）為了深入揭示自然現(xiàn)象，需開發(fā)先進(jìn)的表征和測(cè)試技術(shù)。此外，大自然仍蘊(yùn)藏著許多未知的奧秘急需探索；（3）由于一些方法僅局限于實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究，難以工業(yè)化生產(chǎn)。因此，開發(fā)高效、低成本、可實(shí)現(xiàn)仿生MAAMs-SW大面積大規(guī)模制造的綠色技術(shù)，對(duì)促進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程至關(guān)重要；（4）較差的物理和化學(xué)耐久性嚴(yán)重限制了仿生MAAMs-SW的實(shí)際應(yīng)用。需要從表面化學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及加工方法的優(yōu)化來(lái)突破這一難題；（5）開發(fā)集多種功能于一身的仿生MAAMs-SW是未來(lái)的必然趨勢(shì)。

總而言之，由于仿生MAAMs-SW具有極為重要的特殊功能，其研究熱度會(huì)越來(lái)越高，隨著科技的不斷進(jìn)步、多學(xué)科的融合發(fā)展以及科學(xué)家們的不斷探索，上述面臨的挑戰(zhàn)和困難將不斷被突破，勢(shì)必會(huì)涌現(xiàn)出更多新穎的、可實(shí)際應(yīng)用的仿生MAAMs-SW。

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作者簡(jiǎn)介

廉中旭

長(zhǎng)春理工大學(xué)

廉中旭，長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士生導(dǎo)師，跨尺度微納制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年學(xué)術(shù)骨干，目前在英國(guó)華威大學(xué)開展為期2年的博士后合作交流研究。近年來(lái)，主要從事跨尺度微納特種加工方法、微結(jié)構(gòu)功能表面制備與應(yīng)用研究。獲“博士后國(guó)際交流計(jì)劃派出項(xiàng)目”資助，主持國(guó)防基礎(chǔ)科研重點(diǎn)項(xiàng)目課題、裝備預(yù)研領(lǐng)域基金快速支持項(xiàng)目、中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目、吉林省自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目6項(xiàng)。以第一/通訊作者在《International Journal of Extreme Manufacturing》《Droplet》《Chemical Engineering Journal》《ACS Applied Materials & Interfaces》《Applied Surface Science》《International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology》等國(guó)際知名期刊發(fā)表論文31篇，申請(qǐng)與授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利10余項(xiàng)。獲吉林省科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)（11/15、9/10）、吉林省優(yōu)秀博士學(xué)位論文。入選吉林省青年科技人才托舉工程，獲吉林省“優(yōu)秀青年”榮譽(yù)稱號(hào)。

于化東

吉林大學(xué)

于化東，吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。全國(guó)優(yōu)秀科技工作者，享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。先后在長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院獲學(xué)士、碩士學(xué)位，日本千葉大學(xué)獲博士學(xué)位。國(guó)家“973”技術(shù)首席，科技部“增材制造與激光制造”重點(diǎn)專項(xiàng)總體專家、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)極端制造分會(huì)副主任委員、中國(guó)機(jī)械工業(yè)企業(yè)管理協(xié)會(huì)首席科技管理專家、國(guó)際3M-NANO學(xué)會(huì)創(chuàng)始主席。獲教育部國(guó)家級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)；獲吉林省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，國(guó)防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

長(zhǎng)期從事精密與超精密加工技術(shù)以及光機(jī)電一體化技術(shù)等領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。近年來(lái)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文180余篇，其中SCI論文110篇，出版學(xué)術(shù)著作2部；申請(qǐng)和授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利80余件。主持完成國(guó)防973、0902專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目等20余項(xiàng)國(guó)家省部級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目。

飛秒激光直寫技術(shù)制備仿生微納結(jié)構(gòu)表面及多功能應(yīng)用研究

The design, manufacture and application of multistable mechanical metamaterials-a state-of-the-art review

DOI: https://doi.org/10.1088/2631-7990/acf96a

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International Journal of Extreme Manufacturing(中文《極端制造》），簡(jiǎn)稱IJEM，致力于發(fā)表極端制造領(lǐng)域相關(guān)的高質(zhì)量最新研究成果。自2019年創(chuàng)刊至今，期刊陸續(xù)被SCIE、EI、Scopus等20余個(gè)國(guó)際數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。2023年JCR最新影響因子14.7，位列工程/制造學(xué)科領(lǐng)域第一。中科院分區(qū)工程技術(shù)1區(qū)，TOP期刊。

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撰稿: 作者 編輯：范珂艷 審核：關(guān)利超

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