猪笼草口缘区表面液体单方向连续搬运机制

发布时间：2019-08-11 17:56

【摘要】：正液体单方向搬运表面因无需外部动力即可实现液体连续铺展搬运,在机械、能源、医疗、农业等领域具有重要应用前景,受到了国内外高度关注[1—3]。具有亲疏水梯度和锥形结构特征的一维丝状材料能实现液体的短距离搬运,而表面能梯度和梯度拉普拉斯压力是一维丝状材料液体短距离搬运的动力源[4—6]。许多自然生物进化出这种结构特征来实现集水、集雾等,例如沙漠甲虫利用外壳上的亲疏水交
【图文】：

口缘,单方,猪笼草,盲孔

２１８中国科学基金２０１６年图１液体在猪笼草口缘区表面单方向连续搬运现象（ａ）捕虫笼及口缘区截面图；（ｂ）液滴从口缘区内缘向外缘的单方向连续搬运图２猪笼草口缘表面结构（ａ）口缘表面具有两级分布的沟槽；（ｂ）盲孔的截面原位高速实时观测发现液体在口缘区表面上的单方向连续搬运是由连续填充单一楔形盲孔来实现的，液体填充单个盲孔通常先沿着楔形孔内角边缘铺展，逐渐挤出盲孔内气泡，最后在盲孔外缘轮廓前汇聚完成填充。图３显示了液体的单方向连续搬运过程，液体单方向搬运可看成层叠楔形盲孔的连续性填充，以填充相邻三个盲孔为例，下层水ＩＩＩ首先填充对应盲孔１；在未完全填充之前，下层水液面厚度若超过盲孔１外缘，液体会沿着盲孔２的楔形内角边缘铺展形成上层水ＩＩ来填充盲孔２；同样未完全填充满盲孔２之前，上层水会越过盲孔２外缘又沿着盲孔３的楔形内角边缘铺展，产生顶层水Ｉ。楔形盲孔的连续循环填充实现了液体连续搬运。与此同时，楔形盲孔拱形轮廓及其尖锐外缘在液体铺展浸润时很容易满足吉布斯非平衡［１８］，形成液体反方向流动的阻滞效应。３液体单方向连续搬运机制研究浸润性表征显示口缘区为超亲水表面，ＥＤＳ测试证明口缘区表面不存在明显的浸润梯度。为揭示亲疏水性对液膜单方向搬运的影响规律，采用生物复制成形方法制备出逼真仿生表面，发现疏水状态图３液体在口缘区表面的单方向连续搬运（ａ）反方向阻滞；（ｂ）正向搬运；（ｃ）连续搬运模型下并不具备单方向搬运能力。但将仿生表面改性成亲水（接触角小于６５°）后，液体才能够实现单方向搬运，而且在超亲水仿生口缘区表面上

截面图,口缘,盲孔,猪笼草

２１８中国科学基金２０１６年图１液体在猪笼草口缘区表面单方向连续搬运现象（ａ）捕虫笼及口缘区截面图；（ｂ）液滴从口缘区内缘向外缘的单方向连续搬运图２猪笼草口缘表面结构（ａ）口缘表面具有两级分布的沟槽；（ｂ）盲孔的截面原位高速实时观测发现液体在口缘区表面上的单方向连续搬运是由连续填充单一楔形盲孔来实现的，液体填充单个盲孔通常先沿着楔形孔内角边缘铺展，逐渐挤出盲孔内气泡，最后在盲孔外缘轮廓前汇聚完成填充。图３显示了液体的单方向连续搬运过程，液体单方向搬运可看成层叠楔形盲孔的连续性填充，以填充相邻三个盲孔为例，下层水ＩＩＩ首先填充对应盲孔１；在未完全填充之前，下层水液面厚度若超过盲孔１外缘，液体会沿着盲孔２的楔形内角边缘铺展形成上层水ＩＩ来填充盲孔２；同样未完全填充满盲孔２之前，上层水会越过盲孔２外缘又沿着盲孔３的楔形内角边缘铺展，，产生顶层水Ｉ。楔形盲孔的连续循环填充实现了液体连续搬运。与此同时，楔形盲孔拱形轮廓及其尖锐外缘在液体铺展浸润时很容易满足吉布斯非平衡［１８］，形成液体反方向流动的阻滞效应。３液体单方向连续搬运机制研究浸润性表征显示口缘区为超亲水表面，ＥＤＳ测试证明口缘区表面不存在明显的浸润梯度。为揭示亲疏水性对液膜单方向搬运的影响规律，采用生物复制成形方法制备出逼真仿生表面，发现疏水状态图３液体在口缘区表面的单方向连续搬运（ａ）反方向阻滞；（ｂ）正向搬运；（ｃ）连续搬运模型下并不具备单方向搬运能力。但将仿生表面改性成亲水（接触角小于６５°）后，液体才能够实现单方向搬运，而且在超亲水仿生口缘区表面上
【作者单位】：北京航空航天大学机械工程及自动化学院;
【基金】：国家自然科学基金重大项目(51290292)等的资助
【分类号】：TB17

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