曹 刚, 黄苏和, 李明升, 胡海豹,*

1. 西北工业大学 航海学院, 西安 710072; 2. 中国船舶工业系统工程研究院, 北京 100094

0 引 言

1805年，Young[1]首次提出了液滴在光滑固体表面的润湿理论，其后，Wenzel[2]、Cassie和Baxter[3]相继对该理论进行了完善，Furmidge[4]提出了倾斜固体表面液滴运动的临界角度方程，这些理论为固体表面的液滴定向运动研究奠定了坚实基础。目前，已有大量学者利用各种梯度表面驱动液滴运动，如表面张力梯度[5-6]、电荷密度梯度[7]、表面能梯度[8-9]等。此外，利用重力[10-11]、磁场[12-13]、光[14-15]等也可实现液滴在固体表面的运动。

润湿异性表面是一种典型的固体表面模型，其表面的液滴定向运动具有重要科研价值，在工业和日常生活中也发挥了重要作用(如水收集[16-18]、油水分离[19-21]、液滴调控[22-24]、质子交换膜燃料电池的自排水[25-26]等)，已成为表界面领域的研究热点。Ju等[9]发现仙人掌表面具有定向水收集能力后，提出了可用于干旱地区植物供水的仿仙人掌表面模型，如图1(a)所示。Bai等[27]制备了15 min内收集1.3 mL水的仿仙人掌表面模型，其中单个仙人掌刺的水收集速率达0.3 μL/min；Tian等[28]受蜘蛛丝模型启发，制备了77 cm长的仿生空腔蜘蛛丝状微纤维网，在0.408 mL/min雾流时，可在2 min内收集0.36 mL水，如图1(b)所示；Li等[29]发现制备的仿生瓶子草表面沟槽结构具有更高的水收集效率。也有学者[17, 30-31]利用润湿异性的楔形表面进行水收集仿真与实验研究。此外，Li等[20]利用仿仙人掌刺锥形阵列表面实现了高达(98.9±0.4)%的油水分离效率，如图1(c)所示。Wang等[19]受蝴蝶翅膀表面启发制备的超疏水性铜网膜，可至少进行8次油水分离；……