受自然界启发的、具有不均匀鲨鱼皮纹理的防污膜

《Journal of Membrane Science》：Nature-inspired nonuniform sharkskin-patterned antifouling membranes

　　德万达尔·乔汉（Devandar Chauhan）| 安基塔·夏尔玛（Ankita Sharma）| 库穆德·坎特·阿瓦斯蒂（Kumud Kant Awasthi）| 哈什·潘迪（Harsh Pandey）| 卡玛克希·潘迪（Kamakshi Pandey）
印度斋浦尔马拉维亚国立理工学院（Malaviya National Institute of Technology Jaipur）物理系，302017

**摘要**
表面图案化技术作为一种非化学方法，在水处理中显示出巨大的潜力，能够通过减少膜污染来提升膜的性能。鲨鱼皮表面布满了微小的齿状突起，这些结构利用流体力学原理自然地保持了表面清洁，防止微生物、污垢和其他污染物的附着。受鲨鱼皮启发的图案化膜因其出色的抗污染性能而受到研究。本文指出了一个重要的文献空白：在真实的鲨鱼皮中，这些齿状突起是分层结构，其子单元的大小和间距并不均匀；而目前的鲨鱼皮仿生图案并未考虑到这一点。因此，基于流体力学和传输现象，本文提出假设：具有非均匀齿状突起子单元结构的膜（更接近真实鲨鱼皮的形态）应该比以往报道的膜具有更好的抗污染性能。本研究使用计算流体动力学（CFD）数值模拟了在层流条件下，均匀和非均匀鲨鱼皮仿生图案化膜中的流体流动及溶质传输过程。主要观察指标包括速度场、剪切应力分布、浓度极化效应以及渗透通量，并计算了边界层厚度。结果表明，非均匀鲨鱼皮仿生图案化膜在破坏流体流动方面比均匀图案更有效，从而显著提高了膜表面的污染物清除能力，进而提升了膜的整体性能。总体而言，自然界的鲨鱼皮图案具有高度优化性，为实际应用的抗污染膜提供了参考标准。

**引言**
水质问题是全球性的重大挑战。传统的水处理工艺仍无法有效去除新兴污染物和无机盐类，阻碍了水的再利用[1,2]。为应对这一挑战，膜分离技术因其高效的处理能力和节能特性而成为有效解决方案[3]。在膜技术中，压力驱动的膜过滤（包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）被广泛应用[4]。膜污染是这些工艺面临的主要问题，因此抗污染表面至关重要[5]。多年来，人们通过化学或物理改性方法探索了多种减轻膜污染的途径[6]。其中，膜表面的物理改性方法因其在成本效益和环境友好性方面的优势而受到广泛关注[7],[8],[9]。该方法主要通过设计微尺度图案来调整膜的表面形态，从而破坏流体在膜上的流动，增强混合效果，进而改善盐分在膜表面的沉积[10]。此外，物理表面图案使膜的实际表面积大于平面膜，从而在相同名义（投影）面积下显著提高水通量[11,12]。因此，物理膜图案化成为水处理中非常有效的策略。

**自然界的形态与功能**
自然界展现了多样而功能性的形态和几何结构，例如植物叶片和陆地及水生环境中不同物种皮肤的多种结构设计。许多受自然界启发的图案设计（称为“仿生图案”）被应用于多种领域，如表面润湿性控制、减阻、粘附调节和自清洁能力[13],[14],[15],[16],[17],[18],[19]。在水生环境中，包括海豚、鲸鱼和鲨鱼在内的多种物种的表面形态进化出了出色的自清洁和减阻特性[13,20,21]。鲨鱼皮表面的微小齿状突起不仅有效抑制了生物污染，还减少了流体阻力，这激发了模仿鲨鱼皮结构的研究[13],[14],[15],[16],[17],[18],[19],[22]。不同物种的鲨鱼皮齿状突起大小不一，同一条鲨鱼身体各部位的尺寸和排列也有所不同[13,15,23]。图1展示了多种鲨鱼物种的皮肤表面形态，包括单个齿状突起的扫描电子显微镜（SEM）图像（显示了其分层结构）、鲨鱼皮上的齿状突起排列情况，以及鲨鱼身体不同部位的原子力显微镜（AFM）图像[13,15,23]。值得注意的是，这些齿状突起子单元的尺寸非均匀分布，这种自然优化有助于减少阻力并抑制污染物在鲨鱼皮上的积累。

**早期研究**
21世纪初，布伦南（Brennan）等人[24,25]首次提出了鲨鱼皮仿生图案化抗污染表面以解决生物污染问题。随后，在膜过滤领域，多项研究采用了简化的鲨鱼皮仿生图案，其中最常用的模型是Sharklet AF?[22],[26],[27],[28],[29]。该模型包含七个矩形肋条，所有肋条的高度（3 μm）、宽度（2 μm）和间距（2 μm）均相同，仅长度依次为4 μm、8 μm、12 μm和16 μm[22],[26],[27],[28],[29]。大多数关于膜过滤中鲨鱼皮图案的研究都采用了这一模型。在本研究中，这些尺寸固定的肋条图案被称为“均匀鲨鱼皮图案”。

**拓展研究**
转向流体力学减阻领域，宫崎（Miyazaki）等人[30]分析了不同鲨鱼物种的齿状突起，发现不同物种的齿状突起子单元尺寸（高度、宽度、间距）各不相同[13]。他们的研究表明，尺寸多样的仿生肋条能够增强减阻效果。罗格卡斯（Rogkas）等人的研究[31]模拟了不同尺寸（高度、宽度、间距）的仿生肋条，也获得了类似的减阻效果。这些尺寸不同的肋条图案在本研究中被称为“非均匀鲨鱼皮图案”。本研究采用的非均匀鲨鱼皮图案尺寸参考了参考文献[30,31]中的数据，与真实鲨鱼齿状突起的尺寸较为接近。尽管本研究中非均匀鲨鱼皮图案的尺寸略大于以往关于Sharklet表面的研究[22],[26],[27],[28],[29]，但仍属于常见的图案化膜表面尺寸范围（如矩形、三角形、人字形等，常用于反渗透膜过滤[3,10,11]）。对于快速游动的鲨鱼而言，这些非均匀齿状突起能有效减少流体阻力，提高游泳效率，并减少污染物积累，从而实现自清洁效果。

**本文的创新点**
本文发现了一个重要的文献空白：在真实鲨鱼皮中，齿状突起是分层结构，其子单元的大小和间距并不均匀。据我们所知，这是首次从真实鲨鱼皮结构中汲取灵感，提出用于水过滤的非均匀鲨鱼皮图案化膜设计；当前基于鲨鱼皮的仿生图案并未考虑这一点。本文假设：具有非均匀齿状突起子单元结构的膜应比以往报道的膜具有更好的抗污染性能。这些非均匀结构应比均匀图案更有效地破坏膜表面的流体流动，正如它们在真实鲨鱼皮环境中一样。由于图案表面的非均匀性，膜表面可能形成波动的流体流动模式，这种流动模式可能增强膜附近的流动特性，从而有效防止溶质沉积，提升抗污染性能。本研究使用了两种类型的图案截面——矩形（直线形）和梯形截面[32]来代表均匀和非均匀图案。虽然大多数研究采用矩形截面（理想化模型，与真实鲨鱼皮差异较大），但梯形截面更接近真实鲨鱼皮齿状突起的形状（底部宽度大于顶部宽度），这是本研究的新颖之处。此外，梯形截面中两个齿状突起之间的间距在顶端较大，有助于增强膜附近的流动场，进一步减少膜污染。基于这一假设，本文使用计算流体动力学（CFD）数值模拟了在层流条件下，均匀和非均匀鲨鱼皮仿生图案化膜中的流体流动及溶质传输过程，量化了关键流体力学和传输参数（如流速的空间和时间变化、膜表面溶质积累引起的浓度极化以及渗透通量），并计算了边界层厚度。这项工作有望推动未来开发出更具抗污染性能的膜，从而在实际应用中提升膜性能。

**研究结构**
第2节详细介绍了膜过滤理论及本研究采用的方法论，包括模型描述和边界条件。第3节讨论了研究结果及模型验证。第4节总结了主要发现及其意义，并提出了未来研究方向。

**致谢**
DC衷心感谢印度教育部的财政支持，同时感谢斋浦尔MNIT SML实验室的卡姆伦德拉·阿瓦斯蒂（Kamlendra Awasthi）博士提供的宝贵帮助和支持。