定向液体输运技术在微流控、水资源管理和能源采集等领域具有广泛应用前景，但主流材料多依赖复杂微纳加工或高成本合成方法，制备过程能耗大、可持续性差，且在实际环境中往往难以兼顾高效输运与结构稳定性。特别是多数仿生表面仅单一借助几何结构或润湿梯度驱动，无法在重力或倾斜条件下保持高效和连续的液体传输，严重限制其在现实环境下的应用扩展。
针对上述挑战，南京林业大学吕建雄研究员与多伦多大学颜宁教授团队受仙人掌刺和沙漠甲虫等自然结构启发，提出一种创新性的仿生设计策略：利用木材天然的各向异性和多孔网络，构建楔形结构并通过TiO2修饰与紫外诱导手段实现表面梯度润湿性调控，从而在不依赖复杂加工的前提下，赋予木材优异的定向液体输运能力。该梯度润湿楔形表面在水平方向上实现高达8.9 mm/s的液体迁移速率，在垂直逆重力条件下亦可稳定输运，显示出拉普拉斯压力与表面能梯度的协同增强效应。进一步结合仿仙人掌刺的雾滴捕获结构，团队构建了可自复位的雾驱动装置，实现了水滴捕获—输运—释放—能量转化的高效耦合，为大气水收集与环境能利用提供了低碳、绿色的解决方案。本研究不仅拓展了天然材料在液体调控领域的应用边界，也为仿生功能表面设计提供了可持续的技术路径。
该论文以题为“Bioinspired Wood-Based Wedge-Shaped Surface with Gradient Wettability for Enhanced Directional Liquid Transport and Fog Harvesting”发表在《Materials Horizons》上。南京林业大学陈凯文为第一作者。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、加拿大自然科学与工程研究委员会的资助。
图1. 梯度润湿楔形木的制备工艺。
图2. 样品的形貌和结构。（a）样品表面的数字照片和3D轮廓;（B）横截面和纵截面显微结构的SEM图像。
图3. （a）三种梯度润湿性楔形木材样品的制备工艺。（b）HWW的微观结构和成分分布。（c）G1-GWW、G2-GWW和G3-GWW自然阳光暴露7天前后接触角分布的比较.
图4. （a）接触角测角器快照，显示水滴在三个梯度润湿楔形木材表面（GWWs）上的定向运动，楔形角度相同为91 °。（B）水滴在相同三个GWWs上传输的光学相机图像。（c）水滴在三个GWWs上具有不同初始体积的平均传输速度。（d）水在三个GWWs上迁移的数值模拟（楔角= 91）。(e)说明水平定向GWW表面上的液滴迁移机制的示意图。
图5. 视频快照显示了具有三种不同楔角的G3-GWW样品上的定向液滴传输，（a）倾斜视图和（b）侧视图捕获。（c）具有不同楔角的G3-GWW样品上具有不同体积的液滴的最终传输距离。（d）具有不同楔角的G3-GWW样品上具有不同体积的液滴的平均传输速度。
图6. （a）不同倾角下G3-GWW（楔角：91）上定向液滴传输的视频快照。（B）不同倾角下G3-GWW（楔角：91）上不同体积液滴的平均传输速度。（c）倾斜G3-GWW上液滴传输的机制。
图7. (a)雾驱动动力装置的组成和潜在应用。（b）雾驱动动力装置工作过程的示意图。（c）雾驱动动力装置在人工引入水滴下的操作。（d）雾驱动动力装置在模拟雾环境中的操作。
本研究介绍了一种具有梯度润湿性的生物启发楔形木材表面，从而实现有效和可控的自发定向液体传输。通过仔细利用木材的天然各向异性结构，并通过精确的化学和光化学改性引入梯度润湿性，所得木材表面表现出拉普拉斯压力和表面能梯度的协同效应。特别是，这些特征促进了在水平和倾斜条件下的出色的液体输送性能，在水平表面上表现出高达8.9mm s-1的输送速率，在垂直表面上克服重力向上表现出0.64mm s-1的输送速率。此外，该系统在雾驱动动力装置中的应用，突出了其在水资源管理和能量转换方面的巨大潜力。在10个连续循环中，该装置每30秒持续分离重约100mg的液滴，验证了其可靠性和稳定性。值得注意的是，这项工作不仅为开发生物启发的液体管理表面提供了一种可扩展的方法，而且还通过利用木材为合成材料提供了一种可持续的替代品。作为一种可再生和可生物降解的自然资源，木材具有相当大的环境效益，例如减少对石油基合成材料的依赖，减少环境足迹，并增强可持续性。加工方法的简单性和成本效益使这种基于木材的设计易于扩展到现实世界的应用，包括户外雾收集设施和可持续液体管理系统。此外，几何设计和表面功能的集成为微流体、环境工程、在这种情况下，未来的研究可以集中在进一步优化不同液体和环境条件下的梯度控制，以及增强木质表面的耐用性，响应性和多功能性。
原文链接：https://doi.org/10.1039/D5MH00440C
