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王钻开教授最新综述|仿生拓扑表面:设计和功能

已有 312 次阅读 2019-11-12 09:07 |系统分类:论文交流

近期,香港城市大学王钻开教授和南京理工大学陈雪梅教授应SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy (SCPMA) 邀请,撰写了题为”Nature-inspired Surface Topography: Design and Function”的综述文章,为下一代仿生拓扑表面设计及功能的开发提供了新的见解。该文已在线发表于SCPMA 2020年第63卷第2期。 

        现代工业社会的发展史可以看作是一部人类师法自然的历史。人类社会发展历史上许多重要的成就都直接或间接地受到了大自然的启发。在38亿年的进化过程中,生物系统发展出多种多样的策略来使它们能够在激烈的竞争环境中持续生存(如图1所示)。

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图1. 大自然的法则

        自然界纷繁复杂的生存环境给生物体的生存提出了各种各样严苛的要求。恶劣的生存环境往往要求生物体使用最少的材料来实现多重功能的复合,并达到最优的材料和能量使用效率。此外,生物体并无自主选择自身元素的能力,而且其合成自身成分的反应均只能在温和的条件下进行。这些严苛的要求迫使生物系统进化出巧妙的表面拓扑结构和简单高效的控制模式及策略,比如多尺度异质结构,多功能一体化设计,自下而上合成策略,自我更新机制,以及动态响应环境刺激的能力。基于以上这些独特的性质,大自然中的生物体能够提高其在复杂环境下的适应性和动态地响应外界刺激的能力,并在稳定性、灵活性、稳健性、响应性和能源利用效率等方面展现出比现代人工机械系统更高的性能。

        从自然中学习能为传统机械领域的发展提供深度的见解, 并持续不断地推动相关技术的模式转变。在传统的机械工程中,表面工程技术已经被广泛地应用于运输、信息、航天、能源等领域中。然而,其中的表面拓扑结构通常由于传统机械系统的大尺寸而被忽略。从更广泛的角度来看,这些通常被忽视的拓扑结构特征有可能从根本上改变工程材料表面的作用机制,例如流体如何流动、热量如何传输以及能量如何产生、保存和转换等。近些年来,由于仿生学和纳米科技的蓬勃发展,采用师法自然的策略为探索广泛的拓扑结构和颠覆性的技术提供了一条新途径,并能从根本上缓解各种传统机械系统在水收集、热管理、减阻、油水分离、抗菌、防结冰、自清洁、粘附表面、光学表面、发电和软机器人等领域所面临的挑战(如图2所示)。

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图2. 仿生拓扑表面在新兴领域的应用

        因此,受大自然启发的拓扑表面设计和功能——一个令人兴奋又充满活力的研究领域,将利用源于自然的灵感激发出新的思维来推动科技进步,并进一步为新型工程材料界面的工作机制转变提供强劲的驱动力

        王钻开教授和陈雪梅教授的综述对仿生工程表面拓扑的设计以及在工程上的广泛应用提出了新的见解,并为如何将源于大自然的灵感转化为科技创新提供了清晰的思路和指导(如图3所示)。

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图3. 仿生工程的核心策略

文章以自然界中一些生物材料的特殊表面拓扑形貌与界面理化性质的作用机制为例,概述了自然界中的生物体如何利用界面材料拓扑以最少的材料达到最佳的性能(如图4所示)。

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图4. 自然界中一些生物材料的特殊表面拓扑形貌与界面理化性质的作用机制

在应用部分,重点介绍了仿生拓扑表面设计和功能的最新进展,以及课题组在新兴领域,如热流体传输(Sci. Adv.,2017,3,eaao3530;Nat. Phys.,2016,12,606-612;Nat. Phys.,2014,10,515-519;Adv. Funct. Mater.,2011,21,4617),水收集(Adv. Mater.,2019,31,1806501),发电(Natl. Sci. Rev.,2019, 6,540),防结冰(Nat. Commun.,2015,6,7986),黏附控制(Nat. Commun.,2017,8,2218)以及软体机器人(Nat. Commun.,2018,9,3944)等领域的丰硕成果。

在总结之前工作的基础上,王钻开教授从基础研究和产业化两个方面指出了这一新兴领域存在的问题,以及对这一新兴领域未来发展方向的看法和建议,旨在激发对开发下一代仿生拓扑表面设计和功能的新思维,并在一定程度上拓展传统机械表面工程的边界,为开发更安全、更便宜和更高效的工程表面提供了新的思路。


XianTong Yan, YuanKai Jin, XueMei Chen, Chao Zhang, ChongLei Hao, and ZuanKai Wang, Nature-inspired surface topography: design and function, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 224601 (2020). http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-019-9643-0



《中国科学: 物理学 力学 天文学》(中文版)和SCIENCE CHINA: Physics, Mechanics & Astronomy (SCPMA, 英文版)是中国科学院主管、中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的综合性学术刊物, 均为月刊。英文版SCPMA被SCI, EI, ADS等数据库收录, 2018年影响因子为3.986Q1区。中文版被ESCI、Scopus、《中文核心期刊要目总览》、《中国科学引文数据库》等收录, 以出版热点专题和专辑为主。中英文为两本完全独立的刊物。订阅《中国科学: 物理学 力学 天文学》微信公众号手机同步关注最新热点文章、新闻、科技资讯请添加微信号SCPMA2014或扫描下方图片关注. 

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