近日，清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室刘宇宏教授课题组（机械工程系）基于莲藕的水下生成策略，提出了一种毛细作用驱动的自吸气超疏水网状表面，实现了水下气膜的长久保持，为水下非润湿领域的发展提供了新的思路。成果以“Lotus rhizome-inspired superhydrophobic capillarity mesh surface for long-term plastron stability”为题发表在国际学术期刊《Chemical Engineering Journal》(2024, 502, 158048)。论文第一作者为清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室博士生王佳铭，通讯作者为刘宇宏教授。

研究背景

超疏水表面因其能够在水下捕获气体而备受研究者们的关注。这种被捕获的气体，被称为气膜（plastron），在许多非润湿相关的应用中展现出巨大潜力。例如，气膜的存在能产生滑移效应，减少固液界面阻力。同时，气膜能隔绝液体环境，起到优异防污防腐蚀效果。然而，气膜的脆弱性使其在面对复杂的现实环境因素时容易流失。目前，气膜再生的方法通常依赖持续的物质或能量输入，如气体注入、化学反应、电解、沸腾以及溶解度的控制等。这些方法不仅难以大规模实施，而且需要对气膜进行持续监控，这在实际应用中带来了诸多不便。

研究内容

在这项研究中，研究人员提出了一种新颖的毛细作用方法来补充气膜。研究灵感来源于莲藕在水下生存的机制。研究人员开发了一种超疏水毛细网状表面（SCMS），这种表面能够作为毛细管自发吸收气体。SCMS能够在0.6秒内实现气膜的快速自我恢复，并将气膜的寿命延长至至少60天，且无需干预或能量输入（图1）。研究人员对这种毛细自吸气过程进行了理论分析，发现毛细作用的强度与网状表面结构尺寸紧密相关（图2）。同时毛细自吸气还受到水深、毛细条带宽度和液体表面张力等因素的影响。此外，研究人员还将这种方法扩展到深水环境中，通过添加潜水钟，SCMS的气膜在至少4bar的压力下仍能保持稳定（图3）。实验结果表明，SCMS具有优异的减阻效果，同时气膜损失后仍能通过毛细作用恢复其减阻效果。这项研究开发出一种能够长期稳定维持气膜的超疏水表面。这种方法不仅解决了现有技术中气膜再生需要持续能量输入的问题，还为深水环境中的应用提供了新的可能性。SCMS的开发为水下应用开辟了新的道路，尤其是在需要长期稳定气膜的领域，如水下设备、海洋航行等，具有重要的应用前景。

图1.莲藕启发的毛细自吸气超疏水网状表面

图2. 毛细作用过程理论分析

图3. 潜水钟策略实现深水环境下毛细自吸气

该工作受到国家自然科学基金（52350323）的支持。《Chemical Engineering Journal》是Elsevier出版社旗下的工程技术与化学化工领域刊物，主要目的是及时快速地报道工程领域化学反应工程、环境化学工程及材料合成应用等方面重要的科学研究成果和创新技术。最新影响因子IF=13.3。