金鱼藻具有共同的茎和叶的气孔，其茎叶呈带状，宽度小于0.5 mm，有利于在日照和空气有限的情况下有用进行光协效果（图1a-c）。此外，金鱼藻茎叶上的气孔不只能与周围环境交流气体进行呼吸，还能阻挠外界水流的流入，这对金鱼藻在水下的生计至关重要。

图1. 一种仿生功用敞开细胞。(a)金鱼藻。(b)金鱼藻外表覆盖着共同的气孔。(c)金鱼藻外表单气孔示意图。(d)使用PμSL 3D打印技能制备仿生开孔细胞。

受此启示，湖南大学王兆龙副教授、段辉高教授与中科院理化所董智超研讨员，东南大学陈永平教授及上海交通大学郑平院士协作，在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上宣布了题为“Underwater unidirectional cellular fluidics”的文章。该文章使用面投影微立体光刻技能(nanoArch S140，摩方精细)制备了原样品。在经过处理后，构成了外外表超亲水和内外表疏水的多孔仿生微结构（特征尺度400微米），其不同接湿润性发生的拉普拉斯力（图2）确保了多孔仿生微结构的液体单向功能，这使液体被多孔仿生微结构阻挠在外，而在多孔仿生微结构内的液体和气体能被排出。此外，多孔仿生微结构的几许参数对其共同的单向流态功能有很大的影响。该团队也从理论上提醒了液体在3D打印多孔仿生微结构中的单向浸透机理。终究，还展现了多孔仿生微结构在水下厌氧化学反响的潜在使用。这种多孔仿生微结构为水下化学和微流体工程的潜在使用打开了一扇大门，如易燃资料的贮存、快速固液别离和厌氧化学反响。

图3.仿生网格在水下的单向流态特性研讨。(a)水穿透孔的示意图。(b)不同情况下微孔的水触摸线。(c)微孔外水滴的拉普拉斯压力。(d)仿生网格的单向浸透示意图。(e)水下细胞流体功能测验模型。(f)两个孔之间的间隔对单向流体功能的影响。(g)孔宽对单向流态功能的影响。

试验结果表明，因为毛细力的效果(图3a-ⅰ)，水在孔的结尾以较高的速度上升(图3a-ⅱ)。而因为惯性效果，水将会在到达出口之后继续上升(图3a-ⅲ)，一起，拉普拉斯压力跟着孔口液滴弯月面曲率减小而逐步增大。当拉普拉斯压力到达最大时，假如水的动能使动态触摸角大于外表前进触摸角，水将会从孔中溢出(图3a-c)。因而，鉴于内外表具有疏水性，水不能浸透到多孔仿生微结构内 (图3d-ⅰ)。相反，因为别的一侧是超亲水外表，最大拉普拉斯力挨近0，水将从多孔仿微结构疏水侧浸透到亲水侧(图3d-ⅱ)，然后使得该仿生结构具有优异的单向液体穿透才能。

多孔仿生微结构在水下的单向浸透功能由仿生网格结构失掉单向性前的最大水深来表征(图3e-ⅰ)。矩形孔在水下的单向流控功能最好，而三角形孔仿生膜的功能最差。此外，微结构厚度对仿生膜单向流控功能也有较大的影响，在100 μm至1000 μm范围内，仿生膜的可继续水深随膜厚的添加而添加。但跟着膜厚的添加，可接受水深将保持在75 mm左右。两孔距离、孔宽对仿生膜水下单向流控功能的影响别离如图3f、g所示。关于150 μm孔，多孔仿生微结构的可接受水深仅为10 mm左右。当孔径为300 μm左右时，可接受水深跟着孔距离的添加敏捷添加，到达 45 mm左右。之后，跟着两孔距离的添加，可接受水深缓慢添加(图3f)。

图4. 水下仿生细胞内部的化学反响。(a)水下仿生细胞。(b)液滴滴在仿生细胞内外表时，仿生细胞的排水特性。(c)液滴滴在仿生细胞外外表时的拒水功能。(d)0.5mol▪L-1NaHCO3与0.5mol▪L-1H2SO4在仿生细胞内的化学反响。(e)0.5mol▪L-1FeSO4与0.5mol▪L-1NaOH在充溢CO2的仿生细胞内的化学反响。(f)咱们的仿生细胞在水下的自清洁功能。

根据仿生网格的优异液体单向经过特性，研讨人员规划了微网格结构组成的关闭仿生细胞腔体。该仿生腔体具有疏水的内壁面及超亲水的外壁面，然后使得外侧的水在必定条件下无法穿过多孔仿生网格进入仿生细胞腔体内，然后构成水下密闭空间。该仿生细胞腔体被使用于微反响器(图4a-c)。研讨结果表明，因为网格微米孔的存在，发生的气体能够自在收支仿生细胞(图3a-ⅲ)，而且可在水下构成无氧环境，从而可完成维护气效果下的特别化学反响。最重要的是，因为仿生网格共同的液体单向特性，该仿生细胞在反响完毕后会快速排出腔体内的一切液体，具有极为优异的水下自清洁特性。

该项研讨成果取得国家自然科学基金委，湖南省优秀青年基金，广东省严重专项及国防科工局民用航天项目等研讨项目支撑，以“Underwater unidirectional cellular fluidics”为题宣布于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》,14,7 (2022) 9891–9898，其间，湖南大学谢明铸硕士生为榜首作者。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.1c24332

作者：王兆龙