综述：超润湿界面的定向液体输运机制及其在传热传质中的应用

（编辑推荐）本综述系统阐释了基于生物启发的微纳复合结构设计，通过界面流体动力学（Interfacial Fluid Dynamics）调控实现定向液体输运（Directional Liquid Transport, DLT），在微流控（Microfluidics）、海水淡化及沸腾传热（Boiling Heat Transfer）等领域展现突破性应用潜力。

　　

Abstract

自然界生物系统独特的液体操控能力为人工结构设计提供了丰富灵感。通过解析仙人掌刺表面梯度表面能结构、蜘蛛丝周期性纺锤节等生物原型，研究者开发出具有不对称润湿性（Anisotropic Wettability）的仿生界面。这类结构通过拉普拉斯压力梯度（Laplace Pressure Gradient）和表面张力差驱动，可实现无外力定向输运，其质量传输效率较传统方法提升3-8倍。

界面流体动力学机制

超润湿界面的液体行为受Wenzel-Cassie状态转换机制调控。当接触角（Contact Angle, CA）>150°时，液滴在微纳分级结构（Micro-nano Hierarchical Structure）上形成复合接触，其滚动角（Roll-off Angle）可低至2°。研究显示，锥角为15°的仿生微柱阵列能产生28 kPa的毛细力（Capillary Force），推动液体以12 mm/s的速度定向移动。

仿生结构创新设计

最新开发的Janus膜结构通过疏水/亲水异质界面实现选择性渗透，在膜蒸馏（Membrane Distillation）中盐截留率达99.9%。受猪笼草启发的液体灌注多孔表面（Liquid-Infused Porous Surface, LIPS）使沸腾换热系数提升400%，临界热流密度（Critical Heat Flux, CHF）突破2000 kW/m²。

传热传质应用

在芯片散热领域，梯度润湿微槽道可将热阻降低60%。基于蒸发驱动自循环的仿生"树木蒸腾"系统，实现了持续72小时的无泵式冷却。值得注意的是，这类结构在器官芯片（Organ-on-a-Chip）中成功构建了仿生血管网络，内皮细胞增殖速率提高2.3倍。

挑战与展望

当前面临的主要挑战包括长期使用中的表面污染（Fouling）问题，以及多物理场耦合下的动态润湿调控。未来研究将聚焦于智能响应材料与机器学习辅助的结构优化，为新一代能源、医疗设备开发提供新范式。