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研究背景

隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)液體管理需求的不斷增長(zhǎng)，液體排放與排水技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。液體排放不僅僅在工業(yè)、航空、汽車(chē)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，在自然界中，許多生物也通過(guò)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與機(jī)制有效地排除液體，以適應(yīng)潮濕或多雨的生存環(huán)境。例如，水黽憑借其腿部覆蓋的微毛陣列以及納米溝槽自我去除水滴，水滴在其表面幾乎不接觸，從而保持漂浮；而睫毛作為人類(lèi)眼睛的保護(hù)屏障，其作用也在生物學(xué)研究中引起了越來(lái)越多的討論。盡管已有大量關(guān)于表面液滴排放與滑動(dòng)動(dòng)態(tài)的研究，但關(guān)于柔性結(jié)構(gòu)如何通過(guò)多層次的結(jié)構(gòu)協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)高效液體排水的機(jī)制，尤其是在像睫毛這樣微觀、復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的表現(xiàn)，仍然存在很多未解之謎。

目前，研究主要集中在液體在單一纖維、頂點(diǎn)、圓錐等簡(jiǎn)單幾何結(jié)構(gòu)上的排放、滑動(dòng)與轉(zhuǎn)移動(dòng)態(tài)。然而，這些研究大多忽略了在更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，特別是柔性、多結(jié)構(gòu)協(xié)同的體系中，液體排水過(guò)程中的細(xì)節(jié)和機(jī)制。特別是對(duì)于睫毛這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其表面微棘與宏觀曲率如何影響液體排放，如何通過(guò)這種結(jié)構(gòu)的多層次效應(yīng)提高排水效率，尚未得到充分探討。此外，目前的研究較少關(guān)注液體滑動(dòng)速度與路徑之間的關(guān)系，特別是液滴在曲線路徑（如最速降線）與線性路徑上的滑動(dòng)差異，以及這一差異對(duì)排水效率的影響。

成果簡(jiǎn)介

為了解決這些問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所董智超、戴浩宇等人合作在Science Advances期刊上發(fā)表了題為“Rapid water drainage on human eyelashes of a hydrophobic Brachistochrone fiber array”的最新論文。

本研究通過(guò)深入分析人類(lèi)睫毛的結(jié)構(gòu)特性，揭示了其疏水性柔性纖維陣列與表面微棘、宏觀曲率等多重結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，能夠定向并迅速排除進(jìn)入的液體，從而有效保護(hù)眼睛免受液體干擾。

研究表明，睫毛結(jié)構(gòu)通過(guò)微棘的各向異性滯留作用、柔性纖維陣列的彈性排放以及液滴沿最速降線路徑的滑動(dòng)，顯著減少了液滴的接觸時(shí)間，比剛性線性坡道上的接觸時(shí)間減少了約20%。通過(guò)這種多層次的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)機(jī)制，睫毛能夠高效地實(shí)現(xiàn)液體排放，為液體管理提供了新的思路。

研究亮點(diǎn)

1. 本研究首次闡明了人類(lèi)睫毛利用疏水性彎曲柔性纖維陣列以及表面微棘和宏觀曲率（近似最速降線）的結(jié)構(gòu)特征，定向并迅速排除進(jìn)入的液體，從而有效保持視力清晰。

2. 研究通過(guò)對(duì)人類(lèi)睫毛的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行詳細(xì)表征，發(fā)現(xiàn)其獨(dú)特的多結(jié)構(gòu)組合有助于液體排放過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，液體首先通過(guò)微棘結(jié)構(gòu)在纖維表面滯留，然后在疏水性柔性纖維陣列的偏轉(zhuǎn)作用下，液體被彈性排放。最終，液滴沿最速降線路徑滑動(dòng)，顯著加速排水過(guò)程。

3. 與剛性線性坡道相比，使用人類(lèi)睫毛結(jié)構(gòu)的排水系統(tǒng)可以將液滴的接觸時(shí)間減少約20%。這種多層次的液體排放機(jī)制，從微棘的各向異性滯留到纖維陣列的彈性排放，再到最速降線路徑的快速滑落，表現(xiàn)出高度的排水效率。

圖文解讀

圖1. 人類(lèi)睫毛表征及水滴排放過(guò)程。

圖2. 纖維陣列的柔性和可濕性對(duì)水滴滑動(dòng)動(dòng)態(tài)和排水的影響。

圖3. 纖維陣列的宏觀曲率對(duì)水滴滑動(dòng)動(dòng)態(tài)的影響。

圖4. 類(lèi)似人類(lèi)睫毛排水邊緣的應(yīng)用假設(shè)。

結(jié)論展望

本文研究揭示了人類(lèi)睫毛自然彎曲結(jié)構(gòu)在排水功能中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并提出了模仿這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用潛力。睫毛的彎曲度與水排放速度之間存在密切關(guān)系，嬰兒的自然下傾睫毛能夠有效地引導(dǎo)水流，避免眼部被水侵?jǐn)_，這一原理為設(shè)計(jì)具有優(yōu)異排水性能的材料提供了新的思路。通過(guò)模仿睫毛的纖維陣列結(jié)構(gòu)，研究者不僅在增強(qiáng)美觀的同時(shí)解決了睫毛的保護(hù)問(wèn)題，還為無(wú)人飛行器鏡頭的防水設(shè)計(jì)和戶(hù)外電氣箱的防潮保護(hù)提供了實(shí)用方案。

值得注意的是，疏水性涂層的應(yīng)用，使得這些模擬結(jié)構(gòu)能夠有效排除水分，而不損害原有的保護(hù)功能，展示了生物啟發(fā)設(shè)計(jì)在現(xiàn)代技術(shù)中的廣泛應(yīng)用前景。此外，研究也啟示我們，在設(shè)計(jì)其他纖維陣列結(jié)構(gòu)時(shí)，如何平衡功能性和美觀性，將為未來(lái)的材料設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)更多創(chuàng)新思路，特別是在防水、透氣等領(lǐng)域。

文獻(xiàn)信息

Shan Zhou et al. ,Rapid water drainage on human eyelashes of a hydrophobic Brachistochrone fiber array.Sci. Adv.10,eadr2135(2024)

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