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研究背景

隨著現代社會對液體管理需求的不斷增長，液體排放與排水技術在各個領域引起了廣泛關注。液體排放不僅僅在工業、航空、汽車等領域具有重要應用，在自然界中，許多生物也通過獨特的結構與機制有效地排除液體，以適應潮濕或多雨的生存環境。例如，水黽憑借其腿部覆蓋的微毛陣列以及納米溝槽自我去除水滴，水滴在其表面幾乎不接觸，從而保持漂浮；而睫毛作為人類眼睛的保護屏障，其作用也在生物學研究中引起了越來越多的討論。盡管已有大量關于表面液滴排放與滑動動態的研究，但關于柔性結構如何通過多層次的結構協同作用實現高效液體排水的機制，尤其是在像睫毛這樣微觀、復雜結構中的表現，仍然存在很多未解之謎。

目前，研究主要集中在液體在單一纖維、頂點、圓錐等簡單幾何結構上的排放、滑動與轉移動態。然而，這些研究大多忽略了在更復雜的結構系統中，特別是柔性、多結構協同的體系中，液體排水過程中的細節和機制。特別是對于睫毛這樣的復雜結構，其表面微棘與宏觀曲率如何影響液體排放，如何通過這種結構的多層次效應提高排水效率，尚未得到充分探討。此外，目前的研究較少關注液體滑動速度與路徑之間的關系，特別是液滴在曲線路徑（如最速降線）與線性路徑上的滑動差異，以及這一差異對排水效率的影響。

成果簡介

為了解決這些問題，中國科學院理化技術研究所董智超、戴浩宇等人合作在Science Advances期刊上發表了題為“Rapid water drainage on human eyelashes of a hydrophobic Brachistochrone fiber array”的最新論文。

本研究通過深入分析人類睫毛的結構特性，揭示了其疏水性柔性纖維陣列與表面微棘、宏觀曲率等多重結構的協同作用，能夠定向并迅速排除進入的液體，從而有效保護眼睛免受液體干擾。

研究表明，睫毛結構通過微棘的各向異性滯留作用、柔性纖維陣列的彈性排放以及液滴沿最速降線路徑的滑動，顯著減少了液滴的接觸時間，比剛性線性坡道上的接觸時間減少了約20%。通過這種多層次的結構和動態機制，睫毛能夠高效地實現液體排放，為液體管理提供了新的思路。

研究亮點

1. 本研究首次闡明了人類睫毛利用疏水性彎曲柔性纖維陣列以及表面微棘和宏觀曲率（近似最速降線）的結構特征，定向并迅速排除進入的液體，從而有效保持視力清晰。

2. 研究通過對人類睫毛的結構特性進行詳細表征，發現其獨特的多結構組合有助于液體排放過程。具體來說，液體首先通過微棘結構在纖維表面滯留，然后在疏水性柔性纖維陣列的偏轉作用下，液體被彈性排放。最終，液滴沿最速降線路徑滑動，顯著加速排水過程。

3. 與剛性線性坡道相比，使用人類睫毛結構的排水系統可以將液滴的接觸時間減少約20%。這種多層次的液體排放機制，從微棘的各向異性滯留到纖維陣列的彈性排放，再到最速降線路徑的快速滑落，表現出高度的排水效率。

圖文解讀

圖1. 人類睫毛表征及水滴排放過程。

圖2. 纖維陣列的柔性和可濕性對水滴滑動動態和排水的影響。

圖3. 纖維陣列的宏觀曲率對水滴滑動動態的影響。

圖4. 類似人類睫毛排水邊緣的應用假設。

結論展望

本文研究揭示了人類睫毛自然彎曲結構在排水功能中的獨特優勢，并提出了模仿這一結構設計的應用潛力。睫毛的彎曲度與水排放速度之間存在密切關系，嬰兒的自然下傾睫毛能夠有效地引導水流，避免眼部被水侵擾，這一原理為設計具有優異排水性能的材料提供了新的思路。通過模仿睫毛的纖維陣列結構，研究者不僅在增強美觀的同時解決了睫毛的保護問題，還為無人飛行器鏡頭的防水設計和戶外電氣箱的防潮保護提供了實用方案。

值得注意的是，疏水性涂層的應用，使得這些模擬結構能夠有效排除水分，而不損害原有的保護功能，展示了生物啟發設計在現代技術中的廣泛應用前景。此外，研究也啟示我們，在設計其他纖維陣列結構時，如何平衡功能性和美觀性，將為未來的材料設計和實際應用帶來更多創新思路，特別是在防水、透氣等領域。

文獻信息

Shan Zhou et al. ,Rapid water drainage on human eyelashes of a hydrophobic Brachistochrone fiber array.Sci. Adv.10,eadr2135(2024)

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