《Nature》刊發(fā)北航教授仿生表面重要研究進(jìn)展
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北航新聞網(wǎng)4月7日電（記者 王晴）2016年4月7日，世界頂級期刊《Nature》在線發(fā)表了北航機(jī)械工程及自動化學(xué)院陳華偉教授、張德遠(yuǎn)教授、化學(xué)與環(huán)境學(xué)院江雷院士等的研究成果 “Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata”。這是《Nature》刊發(fā)的我國高校機(jī)械工程學(xué)科領(lǐng)域的首篇成果，該研究從認(rèn)知自然、師法自然出發(fā)，揭示自然生物原型體表表面單方向液體搬運(yùn)新現(xiàn)象，開創(chuàng)性地提出了無動力自潤滑防粘新理念，對解決微創(chuàng)手術(shù)器械防粘技術(shù)難題具有重要參考價(jià)值。
通過微納結(jié)構(gòu)與材質(zhì)的控制來賦予表面新功能，即表面功能化技術(shù)，已逐漸成為解決機(jī)械領(lǐng)域工程技術(shù)難題的重要途徑，如減阻、防污、防菌。尤其，自然生物經(jīng)數(shù)億萬年優(yōu)勝劣汰，逐漸進(jìn)化形成了許多具有優(yōu)勢功能的微納表面結(jié)構(gòu)，這些優(yōu)勢功能體表機(jī)理的認(rèn)知與發(fā)現(xiàn)往往會給人類創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供靈感，引起重大技術(shù)突破。
豬籠草口緣區(qū)在濕潤環(huán)境下顯現(xiàn)出超滑特性，昆蟲很難駐足在口緣區(qū)，常會“失足”滑落而被捕食。一直以來，科學(xué)家們對豬籠草類葉片形貌做了大量微觀表征，對其表面微納結(jié)構(gòu)特征也有了一些了解。然而很多研究僅局限在微觀結(jié)構(gòu)表征上，很少涉及到表面結(jié)構(gòu)特征與液體介質(zhì)間微觀尺度上的作用機(jī)制研究。微納結(jié)構(gòu)表面作為氣、液、固等介質(zhì)間的相互作用界面，其微觀結(jié)構(gòu)特征勢必會影響界面上氣體、液體的微觀流動，引起新功能的產(chǎn)生。
陳華偉等以微創(chuàng)醫(yī)療器械表面超滑防粘為目標(biāo)導(dǎo)向，深入表征了豬籠草口緣區(qū)微觀結(jié)構(gòu)特征，首次發(fā)現(xiàn)液膜單方向搬運(yùn)的神奇現(xiàn)象；通過液體、氣體在界面上微觀流動的動態(tài)觀測，揭示了單方向液膜搬運(yùn)機(jī)理，提出了基于梯度楔形盲孔、梯度拱形邊緣的單方向液膜搬運(yùn)表面的仿生設(shè)計(jì)新方法；通過對比試驗(yàn)，進(jìn)一步發(fā)展了傳統(tǒng)泰勒毛細(xì)升理論，提出了梯度泰勒毛細(xì)升、閉口梯度泰勒毛細(xì)升理論計(jì)算模型；同時(shí)，基于生物復(fù)制成形方法實(shí)現(xiàn)了逼真形貌的轉(zhuǎn)移制造，揭示了表面親水、疏水特性對單方向液膜搬運(yùn)能力的影響規(guī)律，為仿生設(shè)計(jì)與生物制造打下了技術(shù)基礎(chǔ)。單方向液膜搬運(yùn)無需動力且可實(shí)現(xiàn)坡度搬運(yùn)，研究成果可直接用于自潤滑、MEMS、新能源，以及醫(yī)療器械表面防粘、無人機(jī)表面防冰等。
北京航空航天大學(xué)是該研究的第一完成單位（第一作者和第一通訊作者），機(jī)械工程及自動化學(xué)院仿生與微納技術(shù)研究中心張德遠(yuǎn)教授是文章的第一通訊作者，陳華偉教授是文章的第一作者和通訊作者，2013級博士生張鵬飛是文章的第一學(xué)生作者和共同第一作者。該研究還得到了文章通訊作者北航化學(xué)與環(huán)境學(xué)院江雷院士，以及中科院理化所和吉林大學(xué)等單位的合作幫助。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“精準(zhǔn)微創(chuàng)手術(shù)器械創(chuàng)成與制造基礎(chǔ)”的子課題“仿生界面的設(shè)計(jì)與制造基礎(chǔ)研究”（51290292）的資助。此外，還得到其他國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51175020， 51475029，21431009）以及北京航空航天大學(xué)博士研究生創(chuàng)新基金的資助。
論文鏈接： http://www.nature.com/nature/journal/v532/n7597/abs/nature17189.html
機(jī)械工程及自動化學(xué)院 轉(zhuǎn)發(fā)
2016年4月7日
