中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所高雪峰研究員課題組聚焦冷凝微滴自驅離納米仿生界面的設計、制備、性能調控及潛在應用展開了一系列探索。受蟬翼及彈射孢子表面冷凝液滴融合自去除原理啟發(fā)，他們首先仿制了聚合物納米乳突及納米錐陣列結構（Chem. Commun.2012,48, 11322；ACS Appl. Mater. Interfaces2012,4, 5678；Small2014,10, 2578），冷凝動力學研究顯示：聚合物納米乳突頂部尖銳化是確保冷凝微滴融合自去除的關鍵（Adv. Mater. Interfaces2015,2, 1500238）。隨后，他們提出材料表面原位生長密排列準直納米針可實現(xiàn)小尺度冷凝微滴高效自彈射去除的策略，實驗與理論結合揭示了納米結構表面極低的固液黏附是確保冷凝微滴利用自身融合釋放的微弱過剩表面能實現(xiàn)自彈射去除的機理（J. Phys. Chem. Lett.2014,5, 2084）。在此基礎上，提出了功能界面構筑單元的設計原理：特征間距在亞微米尺度以避免水汽侵入；控制足夠的高度或深度避免懸浮液橋接觸結構底部；采用離散突起形貌降低固-液界面黏附以實現(xiàn)冷凝微滴自彈射去除。遵循這一原理，先后設計制備了多種納米針錐構型（ACS Appl. Mater. Interfaces2014,6, 8976；ACS Appl. Mater. Interfaces2015,7, 10660；Adv. Mater. Interfaces2016,3, 1600362；ChemNanoMat2016,2, 1018）、納米粒子多孔構型（Angew. Chem. Int. Ed.2015,54, 4876）以及納米棒-孔復合構型（ACS Appl. Mater. Interfaces2015,7, 18206；ACS Appl. Mater. Interfaces2015,7, 11079），經低表面能化學修飾后都具有優(yōu)異的冷凝微滴自彈射去除功能。

初步研究顯示：冷凝微滴自驅離納米仿生界面與微熱輔助技術相結合，可實現(xiàn)表面持續(xù)無霜（ACS Appl. Mater. Interfaces2014,6, 8976），這一創(chuàng)新策略將有助于研制更節(jié)能的空調/熱泵換熱器。這種仿生界面還具有優(yōu)異的過冷水不沾功能，是一種理想的節(jié)能技術，可用于飛行器機翼防凍雨結冰（ACS Appl. Mater. Interfaces2015,7, 26391）。此外，這種仿生界面比普通金屬表面有更高效的冷凝傳熱性能（ACS Appl. Mater. Interfaces2015,7, 11719；ACS Appl. Mater. Interfaces2015,7,10660），相關知識創(chuàng)新將有助于設計開發(fā)性能更卓越的傳熱傳質界面材料與熱控器件。

最近，受《先進材料》雜志約稿，他們對冷凝微滴自驅離納米仿生界面最新研究進展進行了專題報道及評述（Adv. Mater.2017,29, 1703002, DOI: 10.1002/adma.201703002），文章涉及功能界面的生物原型、機理及構筑原則、金屬基功能界面的制備方法及其在能源相關應用領域的最新進展；最后，文章還總結了該研究領域目前存在的挑戰(zhàn)及未來發(fā)展趨勢，尤其如何利用其它仿生策略來設計開發(fā)性能更卓越的冷凝微滴自驅離功能界面。

上述工作得到科技部、基金委、中科院、江蘇省等項目支持。

圖1.冷凝微滴自驅離功能界面的生物原型。(a-b)荷葉表面低黏超疏水特性在冷凝環(huán)境下失效，冷凝微滴牢牢粘附在表面。(c-e)具有水汽不沾功能的蚊眼表面。(f)具有冷凝微滴融合自去除功能的蟬翼表面。(g)彈射孢子利用冷凝微滴融合自彈射去除的模型圖。

圖2.冷凝微滴自驅離納米仿生界面構筑原則。(a-d)納米結構表面冷凝微滴融合自彈射去除的原理圖。(e)構筑單元設計三原則。(f-g)材料表面原位生長密排列準直納米針實現(xiàn)冷凝微滴自彈射去除的策略。

圖3.納米仿生界面節(jié)能應用探索：(a,b)空調換熱器除露防霜的需求及功能界面效果演示。(c,d)機翼防凍雨結冰的需求及功能界面效果演示。

圖4.納米仿生界面強化傳熱探索。(a,b)棱狀納米針簇結構SEM圖。(c)光學圖顯示了納米表面相比光滑疏水表面具有非凡的小尺度冷凝微滴高效自更新功能。(d-f)納米結構表面高密度冷凝核化機理的模型圖。(g,h)針簇內冷凝液滴自輸運-自膨脹生長模式。(i,j)針簇頂部匯聚處的冷凝液滴自膨脹生長模式。(k)冷凝液滴融合自彈射去除的模型圖。(l)納米樣品與銅表面滴狀冷凝傳熱系數(shù)對比。