江雷院士、董智超研究员Science子刊：仿生润湿性边界技术实现液体晃动近乎零溢出

液体晃动是容器加速度变化引起的自由液面运动，常导致液体溢出、浪费和操作效率低下，尤其在日常生活、工业运输和实验室安全中带来诸多挑战。现有防晃策略如挡板设计、泡沫填充等，在真实动态环境中效果有限，且往往忽略了表面润湿性对流体控制的关键作用。长期以来，液体晃动问题一直困扰着从家庭饮水到工业液输的多个领域，亟需一种更智能、更稳定的解决方案。

受猪笼草液体稳定机制和水百合抗冲击凹口结构的启发，中国科学院理化技术研究所江雷院士、董智超研究员、于存龙博士和中国科学院化学研究所‌吴磊副研究员团队提出了一种双仿生杯设计，通过三维打印构建结构并结合超疏水涂层修饰润湿性边界。该系统将图案化亲水-超疏水边界与全部布置的超疏水凹口相结合，协同稳定液面并耗散振荡能量。经离心、振动及真实运输场景全面测试，该设计实现了溢出率接近零的优异表现，并在车载四层杯塔越过50个交替减速带后仍保持近100%液体，而传统杯损失超过40%。相关论文以“Bioinspired wettability boundary stabilizes water sloshing”为题，发表在Science Advances。

研究人员首先从猪笼草（Nepenthes）的结构中获得灵感。通过显微CT和接触角测量，发现其内壁存在明显的上蜡质区与下消化区边界，形成亲水（约49.1°）与超疏水（约150.2°）的润湿性过渡带。侧向粘附力测量显示，当水滴从消化区越过边界进入蜡质区时，其侧向粘附力增至水滴重力的1.8倍，有效钉扎液线。对19种猪笼草共72个样本的系统测量进一步证实了该润湿性边界的普遍性。风洞实验中，液面位于边界附近时稳定性最佳，显著高于远离边界的情况。

图1. 猪笼草的润湿性边界稳定液体晃动 （A）猪笼草（Nepenthes × miranda）显微CT图像显示上部蜡质区与下部消化区。（B）边界处内壁的扫描电镜图像与接触角测量。（C）水滴沿内壁从消化区进入蜡质区时侧向粘附力的变化。（D）19种猪笼草分布图，三角形代表苏门答腊岛野生种，方形代表菲律宾野生种，圆形代表栽培种。（E）苏门答腊岛发现的猪笼草物种。（F）19种猪笼草消化区与蜡质区接触角分布对比。（G）风洞实验中液面位于边界附近、远高于或远低于边界时的稳定性比较。

为将这一自然机制应用于工程实践，团队开发了可施加高达11.0g离心加速度的旋转平台，系统测试了不同润湿性分布的二维平板与三维打印杯。在离心力作用下，亲水-超疏水边界能有效阻止液滴滑动，其临界加速度达3.57g，远超均匀亲水表面的2.10g。在三维杯中，该边界通过增大接触角滞后和钉扎弯液面，显著抑制液面爬升，减少溢出达53%–64%。

图2. 润湿性边界抑制晃动 （A）人类活动与交通工具中横向与纵向加速度测量。（B）旋转平台装置示意图。（C）液滴在旋转条件下接近亲水-超疏水边界的示意图。（D）液滴在亲水或亲水-超疏水平板上的位置随离心加速度变化。（E）亲水-超疏水杯中液面在旋转过程中的X射线断层扫描图像。（F–I）超疏水杯、亲水杯与亲水-超疏水杯中液体晃动行为对比。

为进一步提升抗晃性能，团队借鉴水百合叶缘的凹口结构，在超疏水区域引入楔形凹口阵列。振动实验表明，该结构可耗散振动能量，使系统在数千次振动循环中仍保持稳定。X射线同步辐射成像显示，凹口与润湿性边界共同约束液面形成高斯曲线轮廓，极大增强了抗晃能力。

双仿生设计将猪笼草的润湿性边界与水百合的凹口结构融为一体，系统比较显示其临界加速度较传统设计提升高达160%。该杯在不同振动频率（8–20 Hz）及多种日常液体（水、茶、牛奶、咖啡、果汁等）中均表现出卓越的稳定性。

图3. 结构凹口增强抗晃能力 （A）振动实验装置示意图。（B）亲水杯中液体在振动下的运动过程。（C）水百合叶缘凹口结构稳定气-水界面并阻尼水波冲击。（D）完整与单凹口亲水-超疏水设计中液面运动的光学与X射线图像。（E）不同表面处理与结构设计的杯中临界加速度比较。（F）相对液高对临界加速度的影响。（G）亲水杯与双仿生杯在不同液体中的临界加速度对比。

在真实动态环境测试中，双仿生纸杯在行走、跑步、骑行、驾驶及飞行等多种场景下均实现近乎零溢出。极端测试中，装载于车顶的四层杯塔在连续越过50个交替布置的减速带后，全部液体得以保留，而传统纸杯上层损失超过40%液体。高速影像与加速度数据进一步验证了其在实际复杂振动环境中的鲁棒性。

图4. 真实动态环境下的全面测试 （A）用户手持传统与凹口纸杯行走。（B）行走时传统纸杯溢出，凹口纸杯保持稳定。（C）行走测试中传统纸杯与凹口纸杯液体保留率对比。（D）控制杯与双仿生杯在跑步、骑行与驾驶过程中液面高度变化。（E）车载四层杯塔在交替减速带道路上的测试设置。（F）测试过程中第四层振动数据与顶层液体损失对比。

该研究提出的双仿生策略不仅为解决日常液体溢出问题提供了可行方案，更在汽车油箱、液压回路、航天流体控制系统及医疗输液设备等领域展现出广阔应用前景，标志着仿生流体控制技术从实验室走向实际应用的重要突破。