《Journal of Colloid and Interface Science》：Bioinspired three-dimensional superwetting interfaces for orientation-adaptive liquid extraction and thermal regulation
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摘要假设三维润湿性组织应主导毛细输运的方向和模式。假设将超疏水限制与收敛的超亲水路径及弧形脊耦合，能够在保持气体连续性的同时，实现逆重力条件下的定向液体捕获和重新分布。实验通过激光织构、低温空气退火、选择性二次激光图案化和冲压工艺，制备了受倒置唇部启发的 SS316L 通道。
摘要
假设
三维润湿性组织应主导毛细输运的方向和模式。假设将超疏水限制与收敛的超亲水路径及弧形脊耦合，能够在保持气体连续性的同时，实现逆重力条件下的定向液体捕获和重新分布。
实验
通过激光织构、低温空气退火、选择性二次激光图案化和冲压工艺，制备了受倒置唇部启发的 SS316L 通道。实验考察了倾斜和倒置输运、均匀润湿性对照、无楔形引导的平行超亲水路径以及不同的脊几何形状。进行了界面力分析、无重力模拟、瞬态冷却分析和 100 次循环操作测试。
发现
图案化界面引导液体流向脊部，而未使通道发生淹没。液体以约 180 mm s?1 的速度爬升了 63° 的墙面。对照实验支持了引导入口和脊几何形状在液体捕获和重新分布中的关键作用。在测试的冷却条件下，图案化使平均温度降低了 49.7%，空间温度均匀性提高了 95.4%，并将稳态温度信号的标准偏差限制在 0.3 °C 以下。液体输运和热调节在 100 个循环中得以保持，稳态温度略有上升。这些发现支持将三维润湿性架构作为方向自适应液体管理的设计原则。
引言
高功率电子器件、航天载荷和紧凑型能源系统中热流密度的急剧增加，产生了对高效且稳定的热管理技术的迫切需求 [1]。在各种冷却策略中，两相液冷因其高传热系数、大的潜热容量以及均匀温度调节的潜力而引起了越来越多的关注 [2]、[3]。在微米级或受限热流系统中，液体捕获、汇聚和移除是一项关键能力 [4]、[5]，因为它们直接决定了气液通道的 openness、界面更新以及两相传热的稳定性 [6]、[7]。然而，当液体以离散液滴或不连续薄膜的形式存在时，界面效应往往主导其行为 [8]，导致粘附、桥接和无序堆积。在两相冷板中，气泡或气袋可能占据传热区域，减少液固接触，削弱液体补充，并导致局部干烧或温度波动 [9]、[10]。因此，受限冷却系统中的液体管理不仅需要定向输运，还需要在目标传热界面处进行选择性捕获、空间汇聚和连续更新。
在倾斜、垂直或倒置操作下，这一挑战变得更加严峻。当重力相对于通道的方向发生变化时，依赖重力的排水和相分离可能会失效 [11]，导致液体和蒸汽不受控制的重新分布、间歇性润湿以及不稳定的两相分布。这种方向依赖的行为已在两相冷板中观察到，其中相分离和迁移随冷板方向而变化并影响热性能 [12]。在航天微重力环境中，该问题被进一步放大，重力排水和浮力辅助相分离被削弱或消失。在这种条件下，与表面张力相关的效应成为主导液滴和气泡形态及迁移路径的主导因素 [13]、[14]。微重力研究也表明，两相流模式和相分布会发生显著变化，使得液体移除和界面更新难以预测和控制 [15]、[16]、[17]。因此，对于方向自适应和微重力相关的热管理而言，能够不依赖有利重力排水而引导和更新液体的被动界面是极具价值的。
表面工程，包括微通道、多孔结构和润湿性调节界面，已被广泛用于增强液体冷板和两相传热装置 [18]。此外，由表面张力梯度驱动的马兰戈尼对流可以影响质量和热量传递，进一步耦合界面输运和热不稳定性 [19]。对于微重力液体控制，电动力学传导泵具有无机械运动部件和低能耗等优点 [20]。然而，主动或外部辅助方法通常引入额外的复杂性、能量输入或稳定性问题。相比之下，基于润湿性图案或毛细结构的被动液体引导策略可以实现定向输运 [21]。然而，大多数此类方法仍局限于液体引导，而非液体捕获、三维汇聚和连续提取的集成实现。特别是，在倾斜、倒置或低重力相关条件下，从局部积累区域选择性收集液体，沿曲面引导并在预定义传热点更新，仍然是一个挑战。
仿生界面为被动、低阻且连续的液体输运提供了强有力的模板 [22]、[23]、[24]。受扇贝壳启发，Bai 等人 [25] 在超亲水折纸结构上实现了自发的、单向的、自适应的且与重力无关的液体收集，该结构能有效捕获和输运液滴、液流甚至蒸气。Wu 等人 [26] 设计了一种具有双向单润湿性的雪花图案界面，用于雾收集和微反应中的顺序微液滴操作。Zhang 等人 [27] 利用紫外光刻技术制造了受生物微腔启发的表面张力限制通道，实现了无能耗的单向液体铺展。Zuo 等人 [28] 进一步开发了一种仿生偏心环表面，将几何不对称性与超疏水/超亲水润湿性对比相结合，实现了无预润湿的快速自驱动液体输运和大角度上坡运动。这些研究表明了润湿性对比和几何不对称性在被动液体操作中的潜力。然而，大多数报道的系统是平面或开放表面设计，其中液体运动主要是面内的。对于实际金属两相冷板，液体必须在保持气流 openness、可制造性和结构兼容性的三维受限通道内进行管理。因此，从平面液体引导到三维液体提取的转变仍然是一个关键挑战 [29]。
在此，受猪笼草（Nepenthes alata）唇部表面定向输水机制的启发 [30]、[31]，提出了一种受倒置唇部启发的三维超润湿金属通道，用于方向自适应液体提取和稳定热调节。超疏水背景抑制了不受控制的扩散并保持了开放的气液通道，而楔形超亲水路径选择性捕获液滴并将其引导至通道脊部。弧形通道进一步将局部液滴运动转化为三维捕获 - 汇聚 - 提取过程，实现了在倾斜和倒置配置下沿曲面向上的液体输运。该结构通过一种无需涂层的加工路线制备，包括激光织构、低温空气退火、二次激光图案化和冲压。使用移除重力体积力的数值模拟来检验润湿性对比和曲面几何是否能在无重力辅助的情况下驱动液体捕获和重新分布。最后，基于可视化的热测试检验了由此产生的液体重新分布是否转化为稳定的界面传热。本工作表明，三维曲面上的润湿性空间组织可以编程毛细迁移，超越传统的平面引导，为方向自适应气液管理提供了一种被动、可制造的策略。
章节摘要
材料
商用 SS316L 不锈钢箔，厚度为 0.1 mm，由上海世达精密不锈钢有限公司提供，切割成 100 mm × 100 mm 的片材。实验中使用了硫酸溶液（H?SO?, 1 mol L?1）、乙醇水溶液（75%）、氢氧化钠溶液（NaOH, 1 mol L?1）、去离子水（CD433277，科道，中国）以及纯度为 99.999% 的氩气。试剂购自上海智真新能源有限公司（中国上海），
用于方向自适应液体提取的仿生架构
受猪笼草（Nepenthes alata）唇部表面定向输水的启发，构建了一种倒置液体提取架构，以引导液体沿弯曲金属通道向上运动。如图 1(a,b) 所示，天然唇部能够沿其弯曲边缘实现连续输水。在此设计中，曲面输运原理被倒置：不是引导液体沿天然边缘的上外表面流动，而是形成的通道从下部捕获液体
结论
在本工作中，开发了一种受倒置唇部启发的三维超润湿界面，用于方向自适应液体提取和热调节。通过空间耦合超疏水背景、收敛的超亲水路径和弯曲通道脊，该界面同时实现了选择性液体捕获、限制和跨壁重新分布，同时保持了开放的气液通道。如图 1g 所示，与之前报道的被动
CRediT 作者贡献声明
Siyu Zuo： 撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，调查，形式分析，概念构思。 Zhutian Xu： 撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。 Linfa Peng： 撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。 M.W. Fu： 撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本论文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢 国家重点研发计划（项目编号 2023YFB2504204）、国际合作与学科创新研究中心（111 计划，项目编号 B25017）以及内蒙古自治区科学技术厅“揭榜挂帅（开放竞争与首席科学家主导）”计划（项目编号 2022JBGS0017）的资助支持。本研究还得到了 香港理工大学 的支持
Siyu Zuo|Zhutian Xu|Linfa Peng|M.W. Fu
