“仿生材料表界面設(shè)計(jì)與制造”專(zhuān)題序言

隨著人們對(duì)自然生物機(jī)理認(rèn)知的逐步深入和微納加工技術(shù)的進(jìn)步，仿生材料的發(fā)展將材料科學(xué)推向了新高度。如何運(yùn)用仿生策略簡(jiǎn)單高效地設(shè)計(jì)和制造出結(jié)構(gòu)功能一體化的智能仿生機(jī)械表面，使其足以應(yīng)對(duì)多物理場(chǎng)耦合的復(fù)雜工作環(huán)境是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)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(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)行為規(guī)律。近年來(lái)，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(jì)與制造”專(zhuān)題，分享國(guó)內(nèi)外仿生材料在防冰減阻、流體定向輸運(yùn)、海水淡化等方面的理論研究與應(yīng)用，反映一些熱點(diǎn)問(wèn)題和研究進(jìn)展，為從事關(guān)鍵機(jī)械部件表面處理、多功能界面材料設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的相關(guān)研究人員提供一個(gè)相互交流的平臺(tái)。

理論研究一直是仿生材料表界面設(shè)計(jì)領(lǐng)域重要研究?jī)?nèi)容之一，對(duì)指導(dǎo)仿生材料的設(shè)計(jì)與性能調(diào)控具有重要價(jià)值。姜又華等通過(guò)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(shí)驗(yàn)，基于吉布斯自由能公式建立了一個(gè)液滴在固體球面上的宏觀前進(jìn)與后退角的預(yù)測(cè)模型，為彎曲固-液界面潤(rùn)濕預(yù)測(cè)提供了可靠的理論指導(dǎo)。張成春等基于三相接觸線(xiàn)“去釘扎”理論、接觸時(shí)間等因素，深入剖析了各種生物對(duì)潤(rùn)濕現(xiàn)象的優(yōu)異控制能力和功能原理，并按“被動(dòng)脫水”和“主動(dòng)脫水”歸納表面動(dòng)態(tài)脫水行為及應(yīng)用優(yōu)劣勢(shì)。郝崇磊等深入分析了昆蟲(chóng)等小型動(dòng)物在多相界面中的行為及機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了潤(rùn)濕、動(dòng)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(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特性中的決定性作用，總結(jié)了其對(duì)機(jī)器人小型化的指導(dǎo)。劉亞華等綜述了通過(guò)仿生結(jié)構(gòu)和外場(chǎng)作用實(shí)現(xiàn)浸潤(rùn)性表面上液滴定向輸運(yùn)的研究進(jìn)展，詳細(xì)推導(dǎo)了其基于拉普拉斯壓力差或表面能梯度的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，并系統(tǒng)闡述了磁、光、電等外場(chǎng)對(duì)液滴定向輸運(yùn)的作用原理。

通過(guò)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(lái)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(guò)有限元軟件建立基于紅柳樹(shù)皮形態(tài)的仿生表面模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析不同模型變量對(duì)抗沖蝕磨損性能的貢獻(xiàn)，制造和優(yōu)化了具有優(yōu)異抗沖蝕性能的離心風(fēng)機(jī)仿生葉輪。沈一洲等比較了超疏水涂層、超潤(rùn)滑涂層和低界面韌性涂層三種除冰技術(shù)的工藝、機(jī)理和性能，重點(diǎn)闡述了新型低界面韌性表面通過(guò)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(shì)。除了能提高表界面的防護(hù)性能和使用壽命，仿生材料還貢獻(xiàn)了操控表界面流體運(yùn)動(dòng)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(wèn)題，具體分析了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展前景。同時(shí)，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(lái)革命性的進(jìn)步。薛龍建等通過(guò)光刻巧妙地將PDMS 與聚苯乙烯小球結(jié)合，再通過(guò)機(jī)械拉伸和松弛獲得仿皮膚的“雞皮疙瘩”，實(shí)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(xì)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(dòng)角測(cè)試所無(wú)法揭示的液固界面作用規(guī)律，為智能表面的設(shè)計(jì)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(jì)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(shì)。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(guò)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(yáng)能海水淡化裝置的設(shè)計(jì)及制備。