《RSC Advances》：From Sarracenia to scientific application: harnessing the potential of porous bionic cones for accelerated directional movement of dropletsOpen Access
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高速定向液滴输运对于提升被动雾收集、油水分离和相变传热系统的性能至关重要。然而，由传统机制（如表面能梯度和非平衡拉普拉斯压力梯度）驱动的液滴输运速度，由于驱动力不足和接触线阻力而仍然受限。受瓶子草（Sarracenia）锥形毛状结构启发，研究人员通过金属粉末烧
高速定向液滴输运对于提升被动雾收集、油水分离和相变传热系统的性能至关重要。然而，由传统机制（如表面能梯度和非平衡拉普拉斯压力梯度）驱动的液滴输运速度，由于驱动力不足和接触线阻力而仍然受限。受瓶子草（Sarracenia）锥形毛状结构启发，研究人员通过金属粉末烧结制备了一种多孔仿生锥体，将宏观几何梯度与微观多孔毛细网络相结合。实验研究和分子动力学模拟表明，该多孔仿生锥体不仅增强了非平衡拉普拉斯力，更重要的是在多孔网络内产生了显著的不对称毛细力，同时降低了液滴运动过程中的接触线滞后。多种驱动力与输运阻力的协同调控显著提升了液滴迁移能力，使定向输运速度在相同条件下从22 mm s?1提升至242 mm s?1，实现了一个数量级的提升。此外，雾收集实验证明，多孔仿生锥体加速的液滴移除有效提高了雾收集效率。这项工作通过协同调控驱动力与输运阻力，为设计高性能被动液体输运系统提供了一种仿生策略。
高速定向液滴输运是提升被动雾收集、油水分离和相变换热系统性能的关键因素之一。传统自驱动液滴输运主要依靠表面能梯度（surface energy gradient）和非平衡拉普拉斯压力梯度（non-equilibrium Laplace pressure gradient），但这些机制产生的驱动力仅有10
?5–10
?7 N，且三相接触线（three-phase contact line）阻力限制了液滴运动速度。相比之下，微孔结构内产生的毛细力（capillary force）可达10
?5–10
?3 N，具有更强的驱动潜力，然而毛细驱动通常局限于多孔通道内部，难以直接控制开放表面上的液滴定向移动。自然界中瓶子草（Sarracenia）的锥形毛状结构通过多级沟槽结构耦合毛细效应与表面几何形状，实现了高效的定向液体输运，这为突破传统输运机制的限制提供了灵感。研究人员提出将高毛细活性的多孔结构与具有定向输运功能的锥形几何结构相结合，构建多孔仿生锥体，以期在增强驱动力的同时降低输运阻力，实现高速定向液滴输运。该研究成果发表在《RSC Advances》。
为验证这一设计，研究人员采用90 μm树枝状铜粉通过金属粉末烧结工艺制备了具有连通多孔网络（主孔径约5 μm，孔隙率约50%）的铜锥体，并通过机械加工制备了相同角度的光滑铜锥体作为对照。实验中使用乙醇作为模型液体，以排除表面化学润湿性差异对结构效应分析的干扰；利用高速相机和高速红外相机记录液滴输运动态和三相接触线形态；采用汞压仪表征孔隙结构；通过分子动力学模拟（molecular dynamics simulation）揭示微观液膜分布和接触线演化。为进一步评估实际雾收集性能，研究人员通过碱辅助氧化处理赋予锥体超亲水性（接触角小于10°），并在锥尖浸涂疏水剂构建亲水-疏水复合润湿性锥体，随后在恒温恒湿舱（20 °C，相对湿度90%）中开展雾收集实验，用电子天平定量收集水量。
研究发现，多孔锥体上的液滴输运可分为干态、湿态和过饱和态三种状态。干态下毛细吸液作用主导，液滴输运距离短；湿态是雾收集环境中的典型工作状态，此时多孔部分润湿，输运距离和速度均较高；过饱和态下液滴在连续液膜上移动，摩擦阻力低。该研究重点分析了湿态行为。液滴输运实验表明，在9°锥角和5 μL液滴体积条件下，多孔仿生锥体上液滴的最大瞬时速度达242 mm s
?1，而光滑锥体仅为22 mm s
?1，提升约11倍；多孔锥体上的输运距离为16.2 mm，光滑锥体为3.5 mm。改变锥角和液滴体积的实验显示，增大锥角会提高初始速度但缩短输运距离，而液滴体积存在最佳值，过大或过小均不利于输运。这些结果证实多孔结构对液滴输运具有显著加速作用。
机制分析进一步揭示了高速输运的物理根源。高速红外成像与分子动力学模拟显示，多孔锥体上的三相接触线由光滑弧形变为不规则的指状（finger-like）形貌，局部曲率半径显著减小，从而增大了液滴前后端的拉普拉斯压力差，增强了非平衡拉普拉斯力。同时，多孔网络内的前驱液膜与液滴后缘之间形成不同曲率的弯月面，产生朝向锥底的净毛细力。此外，前驱液膜对多孔表面的预湿效应降低了液滴运动时的直接固液接触面积，从而减小了接触线滞后（contact-line hysteresis）阻力。总力分析表明，多孔锥体上液滴受到的总驱动力明显大于光滑锥体，这解释了其高速输运的原因。
雾收集实验结果进一步展示了该结构的应用优势。在均匀亲水设计下，多孔锥体（H-PC）的雾收集速率比光滑锥体（H-SC）提高93.8%；在亲水-疏水复合设计下，多孔锥体（SHH-PC）的收集速率比光滑锥体（SHH-SC）提高48.8%。疏水尖端有利于
