中科院3D打印“毛状体阵列”实现开放系统虹吸，为芯片散热等领域提供新方案

自然界的介观结构是亿万年优化的“超材料”，而仿生科学的使命，是以工程智慧解码其物理本质，重塑人类技术边界。本期谷·专栏分享的研究成果，不仅为毛细流体学开辟了新范式，更预示着一个自驱动、低能耗、高通量的流体技术新时代。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

在毛细管作用的驱动下，液体接触超亲液粗糙表面时会自发扩散到纹理中；这被称为毛细管芯吸，在微流体、自清洁表面设计和芯片实验室技术等中广泛应用，具有重要意义。然而，由于缺乏制造技术，介观尺度粗糙度下的吸液现象研究甚少。受生长于南美的小太阳瓶子草 (Heliamphora minor) 的启发，来自中科院的研究团队利用3D打印技术制造模拟了介观毛状体阵列，并研究了高通量毛细管芯吸过程。与微纹理表面上均匀厚度的攀爬膜不同，毫米级长度和亚毫米间距的毛状体的间隔填充会形成厚度不均匀的薄膜。与微纹理表面占主导地位的粘性耗散不同，文章揭示了一种惯性主导的过渡区，具有介观芯吸动力学，并构建了一个标度律，使得高度在不同条件下增长到时间的三分之二次方。最后，研究团队拟植物的营养供应方式，研究了非均匀厚度薄膜内部的质量输送，并在薄膜中实现了开放系统虹吸，其通量饱和条件由实验确定。这项工作探索了介观结构中的毛细管芯吸，并在低成本高通量开放流体系统的设计中具有潜在的应用价值。

主要内容

01自然界的流体大师：小太阳瓶子草

在南美洲的云雾森林中，一种名为小太阳瓶子草 (Heliamphora minor) 的食虫植物悄然生长。它的瓶状叶片内壁布满密密麻麻的毫米级毛状体，这些看似简单的结构，却是自然界历经亿万年进化而来的流体传输神器。

研究发现，当雨水或露珠落入瓶内，液体会在毛状体阵列上自发形成润滑层，不仅帮助瓶子草诱捕昆虫，还能高效排出多余水分，防止瓶内积水腐烂。这种介观尺度 (毫米级长度+亚毫米间距) 的毛状体结构，完美平衡了毛细作用与流体惯性，成为科学家破解高通量流体传输难题的新钥匙。

科学冷知识！

传统微流体器件依赖微观结构 (微米级)，但受限于低流量；而宏观管道又需要外部泵驱动。小太阳瓶子草的介观结构恰恰填补了这一空白！

小太阳瓶子草的表征

02科学突破：3D打印仿生毛刷阵列

中科院团队用紫外光固化3D打印 (精度18微米！) 复刻了猪笼草的毛状体结构。

仿生毛状体阵列毛细管芯吸的微观视图与膜厚度分析

通过实验，他们发现了三个颠覆性现象：

1. 非均匀液膜：打破传统认知

在微观纹理表面上，液体通常形成均匀厚度的攀爬膜。但仿生介观毛刷阵列上，液体却呈现“上薄下厚”的非均匀分布，形如悬链线 (即两端固定自然下垂的曲线)。这种结构能自发形成压力梯度，底部高压推动液体向上输送，顶部低压则维持流动稳定性。

弯月面轮廓受力分析

2. 惯性主导区：新标度律诞生

传统毛细理论认为，液体爬升高度 (H) 与时间 (t) 的关系遵循卢卡斯-沃什伯恩方程 (H∝t¹/²)，即粘滞力主导。但团队发现，介观毛刷上的液体在过渡区竟呈现H∝t²/³的关系，证明惯性力才是关键驱动力！这一发现为高通量流体设计提供了全新理论框架。

3. 开放虹吸：无泵自驱动

团队将毛刷阵列弯曲成n形，打造出无需封闭管道的开放虹吸系统。实验显示，其流量可达传统虹吸的3倍，且仅靠毛细力即可跨高度输水。更妙的是，通过调节入口高度差 (hₘ)，还能实现流量精准控制——这一特性在微灌溉和芯片散热中潜力巨大。

绒毛阵列改性装置的毛细汲水效果对比

为什么重要？

现有微流体技术依赖复杂泵阀，而猪笼草仿生方案仅需结构设计即可实现自驱动、高流量、低能耗的流体操控！

03仿生应用：从实验室走向产业

这项发表于Biomimetics 的研究，不仅揭示了自然界的流体奥秘，更催生了一系列颠覆性应用：

1. 芯片散热：告别风扇与水泵

电子器件发热是制约算力提升的瓶颈。仿生毛刷阵列可通过毛细作用自动输送冷却液，且流量远超微流道。未来手机或服务器可能内置“电子猪笼草”，静默高效降温。

2. 农业灌溉：零能耗输水系统

在干旱地区，开放虹吸结构能利用昼夜温差凝结露水，并通过毛刷阵列自动输送到作物根部，减少90%的能源消耗。团队已在实验室模拟沙漠环境测试成功。

3. 物质传输：仿生“植物静脉”

通过溶解营养物质 (如糖、盐) 的实验，团队发现非均匀液膜会优先在薄层区蒸发，使溶质定向结晶于顶部。这一机制可应用于药物缓释贴片或微反应器设计。

结论与展望

本研究通过仿生设计与3D打印技术，成功复现了小太阳瓶子草 (Heliamphora minor) 的介观毛状体结构，揭示了其毛细芯吸过程中的惯性主导机制与非均匀液膜动力学，并建立了高度-时间标度律 (H∝t²/³)，填补了介观尺度流体传输的理论空白。本研究提出的介观毛细理论证明，毫米级结构可通过惯性效应实现高通量、自驱动的流体传输。基于此开发的开放虹吸系统，无需外部泵驱动即可达成3倍于传统虹吸的流量，为微流控、芯片散热及农业灌溉等领域提供了革新性解决方案。

当科学家向自然提问，答案早已写在亿万年的进化里。自然界的介观结构是亿万年优化的“超材料”，而仿生科学的使命，是以工程智慧解码其物理本质，重塑人类技术边界。这项研究不仅为毛细流体学开辟了新范式，更预示着一个自驱动、低能耗、高通量的流体技术新时代。

转载自：MDPI工程材料

原文出自 Biomimetics期刊

Chen, F.; Cheng, Z.; Jiang, L.; Dong, Z. Capillary Wicking on

Heliamphora minor-Mimicking Mesoscopic Trichomes Array. Biomimetics2024, 9, 102.

阅读英文原文

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投稿丨daisylinzhu 微信

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