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原文發表于 《科技導報》2025年第22期科技新聞-前沿動態
一條無形“安全帶”讓液體在極端顛簸中穩如泰山
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圖片來源:攝圖網
液體晃動是容器加速度變化引起的自由液面運動,常導致液體溢出、浪費和操作效率低下,尤其給日常生活、工業運輸和實驗室安全帶來諸多挑戰。現有防晃策略,如擋板設計、泡沫填充等,在真實動態環境中效果有限,亟需一種更智能、更穩定的解決方案。
中國科學院理化技術研究所董智超、于存龍團隊從豬籠草和睡蓮等自然原型中汲取靈感,發現了表面潤濕性對流體控制的關鍵作用,提出一種“雙仿生”容器界面設計,實現了復雜動態環境下液體晃動的高效抑制與穩定控制。2025年11月14日,相關研究成果發表于
Science Advances
研究團隊通過對東南亞豬籠草捕蟲囊的系統觀察發現,其內壁上部為超疏水蠟質區,下部為親水消化區,兩者交界處形成一條“親水-超疏水界線”,可在無機械部件的情況下充當液面的“無形安全帶”,顯著降低液體晃動和溢出。風洞實驗表明,當液面處于該界線附近時,液晃幅度最小、穩定性最高。另外,自然界中睡蓮葉緣常呈現“缺角”結構,有利于水流有序匯聚與排出。研究人員將“異質浸潤性界線”和“缺角邊緣”進行協同設計,構建出具有雙重仿生特征的容器結構。
在標準振蕩測試中,普通容器在振蕩約15次后即出現明顯溢出現象,而采用雙仿生結構的容器在振蕩5000次后液體仍能保持穩定不溢出,防晃性能實現數量級提升。為貼近應用場景,團隊將該設計集成于一次性紙杯中,開展了手持行走、跑步、騎行及車輛行駛等多種工況下的系統測試。結果顯示,仿生紙杯在非規則擾動與周期性顛簸條件下均能有效抑制液面“爬杯沿”和外溢。在極端路測中,研究人員將由4層仿生紙杯搭建的“香檳塔”固定于運動型多功能汽車(SUV)車頂,以約10 km/h車速連續駛過50個交替布置的減速帶,仿生杯塔內液體溢出率為0,而普通紙杯對照組液體損失超過40%。
該研究表明,通過精細調控界面浸潤性分布與邊界幾何形貌,僅依托被動仿生結構即可在無外加能耗、無復雜機械結構的條件下實現高效“鎖液”。相關成果為化工與危險品運輸、航空航天推進劑管理、醫療與生物試劑輸運,以及日常隨行飲品包裝等領域提供了新的設計思路,也展示了仿生界面材料在服務安全與舒適需求方面的應用潛力。
Science Advance
《科技導報》創刊于1980年,中國科協學術會刊,主要刊登科學前沿和技術熱點領域突破性的研究成果、權威性的科學評論、引領性的高端綜述,發表促進經濟社會發展、完善科技管理、優化科研環境、培育科學文化、促進科技創新和科技成果轉化的決策咨詢建議。常設欄目有院士卷首語、科技新聞、科技評論、專稿專題、綜述、論文、政策建議、科技人文等。
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