北京大学段慧玲教授《PNAS》：在水下仿生固液气界面力学方面取得重要进展

来源：材料科学前沿

附着在水下固体表面微结构上的液气界面具有减小流动阻力、防止化学腐蚀、防止生物粘附等诸多优良特性，在水下航行体、管道流体运输、化工等领域具有重要的应用前景。在自然界中，很多水生动植物通过在其表面微结构上附着液气界面，维持水下呼吸和光合等生命过程的进行。“师法自然”，通过研究水生生物表面微结构与液气界面的相互作用机理，仿生设计和制造出水下稳定的固液气界面具有重要的科学意义和工程价值。

北京大学工学院段慧玲教授课题组通过研究具有极强环境适应能力的水生蕨类植物——槐叶萍（图1a），发现其表面特殊微结构具有极强的稳定液气界面能力（图1b）；通过仿生学原理与稳定性分析，揭示了槐叶萍表面微结构的设计原则（图1c）与其表面气层稳定性的力学机制（图1d）；通过3D打印技术，制造了人工仿生槐叶萍表面（图1e），完全实现了天然槐叶萍的稳定液气界面的功能（图1f）。该研究成果于2月4日以封面文章形式刊登在《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上（图2），题为“Superrepellency of underwater hierarchical structures on Salvinia leaf”。

图 1. (a), (b) 天然槐叶萍与槐叶萍表面附着的液气界面，(c), (d) 天然槐叶萍表面微观结构与液气界面稳定性机理，(e), (f) 仿生制造槐叶萍表面微观结构与液气界面

水下固液气界面在大压强、高流速，以及气体扩散等因素的影响下，易发生失稳甚至消失，这严重影响了水下生物的生存条件以及固液气界面的工程应用。研究水下固液气界面稳定性机制，研制稳定性高的水下固液气界面材料和结构是该领域最重要的基础研究课题之一。段慧玲教授课题组通过研究槐叶萍表面的微结构及其水下固液气界面力学特性，发现了一种新的水下固液气界面稳定性机理，这归因于其特殊的表面微结构（图1c）。继而，基于仿生学原理及力学设计理论，利用3D打印技术制造了人工仿生槐叶萍表面（图1e），为固液气界面设计制造提供了新的设计准则和研究方法。本研究对固液气界面在水下，尤其是大水深、高压强等极端环境下的应用提供了新的设计思路。

段慧玲教授课题组过去多年一直致力于水下固液气界面力学研究，并取得了一系列成果 (Extreme Mech. Lett. 27, 34, 2019; Phys. Rev. Lett. 119, 134501, 2017; Phys. Fluids 29, 032001, 2017; Phys. Rev. Lett. 112, 196101, 2014.)。此外，在国际应用力学权威综述期刊应邀发表综述论文(Appl. Mech. Rev. 68, 030803, 2016)，并获得美国机械工程师协会The Lloyd Hamilton Donnell Applied Mechanics Reviews Paper Award (2016)。段慧玲教授课题组相耀磊博士为本论文第一作者，段慧玲教授为本文通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金的支持。

论文链接

https://www.pnas.org/content/117/5/2282?iss=5