“仿生材料表界面设计与制造”专题序言

随着人们对自然生物机理认知的逐步深入和微纳加工技术的进步，仿生材料的发展将材料科学推向了新高度。如何运用仿生策略简单高效地设计和制造出结构功能一体化的智能仿生机械表面，使其足以应对多物理场耦合的复杂工作环境是当前研究的重点和难点问题，而解决这一难题的关键在于要明晰生物材料表界面的微纳动力学和热力学行为规律。近年来，仿生材料与界面科学的交叉融合使仿生表界面在能源、医疗、军事、建筑等领域中得到广泛应用。因此编辑组策划了本期“仿生材料表界面设计与制造”专题，分享国内外仿生材料在防冰减阻、流体定向输运、海水淡化等方面的理论研究与应用，反映一些热点问题和研究进展，为从事关键机械部件表面处理、多功能界面材料设计与开发的相关研究人员提供一个相互交流的平台。

理论研究一直是仿生材料表界面设计领域重要研究内容之一，对指导仿生材料的设计与性能调控具有重要价值。姜又华等通过本征液滴接触角、体积与球面曲率半径等已知量，结合液滴的钉扎实验，基于吉布斯自由能公式建立了一个液滴在固体球面上的宏观前进与后退角的预测模型，为弯曲固-液界面润湿预测提供了可靠的理论指导。张成春等基于三相接触线“去钉扎”理论、接触时间等因素，深入剖析了各种生物对润湿现象的优异控制能力和功能原理，并按“被动脱水”和“主动脱水”归纳表面动态脱水行为及应用优劣势。郝崇磊等深入分析了昆虫等小型动物在多相界面中的行为及机理，发现了润湿、动态粘附、可调节的各向异性摩擦等界面性质在小型动物的运动特性中的决定性作用，总结了其对机器人小型化的指导。刘亚华等综述了通过仿生结构和外场作用实现浸润性表面上液滴定向输运的研究进展，详细推导了其基于拉普拉斯压力差或表面能梯度的驱动机理，并系统阐述了磁、光、电等外场对液滴定向输运的作用原理。

通过深入了解生物结构的底层逻辑，利用现有的工业材料和成熟的工艺，研究者近年来在制造仿生结构、优化表界面的性能方面取得了重大突破。张俊秋等受具有优异抗冲蚀性能的沙漠植物红柳的凹槽结构启发，通过有限元软件建立基于红柳树皮形态的仿生表面模型进行了数值模拟，并通过实验分析不同模型变量对抗冲蚀磨损性能的贡献，制造和优化了具有优异抗冲蚀性能的离心风机仿生叶轮。沈一洲等比较了超疏水涂层、超润滑涂层和低界面韧性涂层三种除冰技术的工艺、机理和性能，重点阐述了新型低界面韧性表面通过诱导固-冰界面产生微裂纹，在面向航天器的大面积除冰需求所具备的优势。除了能提高表界面的防护性能和使用寿命，仿生材料还贡献了操控表界面流体运动的解决方案。田野等着重聚焦于仿蛛丝纤维的集水原理，总结了当前制备的工艺及存在的问题，具体分析了该项技术的发展前景。同时，仿生材料也向着智能化方向发展，为仿生材料的应用带来革命性的进步。薛龙建等通过光刻巧妙地将PDMS 与聚苯乙烯小球结合，再通过机械拉伸和松弛获得仿皮肤的“鸡皮疙瘩”，实现了表面微观结构不同粗糙度的可逆调控，并依托毛细管投影传感技术定量表征了液滴在该表面的摩擦力，揭示了滚动角测试所无法揭示的液固界面作用规律，为智能表面的设计和应用提供了新思路。此外，直接将修饰后的生物质材料引入设计的仿生策略能有效保留原结构，并兼具成本和环保方面的优势。孙壮志等以具有良好亲水性、固有水传输微通道和低导热系数的天然木材为基底，通过去除木质素、冷冻干燥以及表面改性等特殊处理，结合光热吸收层和减反层，得到具有优异吸光性、亲水性、隔热性以及微通道-多孔结构的海水淡化蒸发器，指导了新一代太阳能海水淡化装置的设计及制备。