《Nature》刊发北航教授仿生表面重要研究进展

2016-04-07 15:16:15 中国日报 小字

中国日报4月7日电 2016年4月7日,世界顶级期刊《Nature》在线发表了北航机械工程及自动化学院陈华伟教授、张德远教授、化学与环境学院江雷院士等的研究成果 “Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata”。这是《Nature》刊发的我国高校机械工程学科领域的首篇成果,该研究从认知自然、师法自然出发,揭示自然生物原型体表表面单方向液体搬运新现象,开创性地提出了无动力自润滑防粘新理念,对解决微创手术器械防粘技术难题具有重要参考价值。

通过微纳结构与材质的控制来赋予表面新功能,即表面功能化技术,已逐渐成为解决机械领域工程技术难题的重要途径,如减阻、防污、防菌。尤其,自然生物经数亿万年优胜劣汰,逐渐进化形成了许多具有优势功能的微纳表面结构,这些优势功能体表机理的认知与发现往往会给人类创新设计提供灵感,引起重大技术突破。

 

猪笼草口缘区在湿润环境下显现出超滑特性,昆虫很难驻足在口缘区,常会“失足”滑落而被捕食。一直以来,科学家们对猪笼草类叶片形貌做了大量微观表征,对其表面微纳结构特征也有了一些了解。然而很多研究仅局限在微观结构表征上,很少涉及到表面结构特征与液体介质间微观尺度上的作用机制研究。微纳结构表面作为气、液、固等介质间的相互作用界面,其微观结构特征势必会影响界面上气体、液体的微观流动,引起新功能的产生。

陈华伟等以微创医疗器械表面超滑防粘为目标导向,深入表征了猪笼草口缘区微观结构特征,首次发现液膜单方向搬运的神奇现象;通过液体、气体在界面上微观流动的动态观测,揭示了单方向液膜搬运机理,提出了基于梯度楔形盲孔、梯度拱形边缘的单方向液膜搬运表面的仿生设计新方法;通过对比试验,进一步发展了传统泰勒毛细升理论,提出了梯度泰勒毛细升、闭口梯度泰勒毛细升理论计算模型;同时,基于生物复制成形方法实现了逼真形貌的转移制造,揭示了表面亲水、疏水特性对单方向液膜搬运能力的影响规律,为仿生设计与生物制造打下了技术基础。单方向液膜搬运无需动力且可实现坡度搬运,研究成果可直接用于自润滑、MEMS、新能源,以及医疗器械表面防粘、无人机表面防冰等。

 

北京航空航天大学是该研究的第一完成单位(第一作者和第一通讯作者),机械工程及自动化学院仿生与微纳技术研究中心张德远教授是文章的第一通讯作者,陈华伟教授是文章的第一作者和通讯作者,2013级博士生张鹏飞是文章的第一学生作者和共同第一作者。该研究还得到了文章通讯作者北航化学与环境学院江雷院士,以及中科院理化所和吉林大学等单位的合作帮助。

该研究得到了国家自然科学基金重大项目“精准微创手术器械创成与制造基础”的子课题“仿生界面的设计与制造基础研究”(51290292)的资助。此外,还得到其他国家自然科学基金项目(51175020, 51475029,21431009)以及北京航空航天大学博士研究生创新基金的资助。

 

论文链接: http://www.nature.com/nature/journal/v532/n7597/abs/nature17189.html