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自然中的热现象:猪笼草口缘启迪冷凝高效排液

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发表于 2020-3-26 10:29:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
猪笼草(图1)属于热带食虫植物,不仅能依靠光合作用维持生长,还可捕捉小动物来吸取营养。猪笼草的秘密武器在于近千年进化而成的独特捕虫器官——捕虫笼。捕虫笼主要有诱捕区、滑移区、过度区和消化区组成,如图2所示。诱捕区由防雨的笼盖和张开的口缘组成;在滑移区,昆虫站立不稳很容易滑落,而且也很难通过攀爬笼内壁而逃脱;过渡区连接滑移区和消化区;在消化区,消化腺体分泌的消化液积聚在此,将捕食到的昆虫浸没、消化,并且吸收和传递所获取的营养。

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捕虫笼滑移区的润滑特性引起了科学家的注意。研究发现,滑移区表面存在方向朝下的半月状微观结构,结构表面覆盖着大量的蜡质层晶体结构。尽管这些晶体结构在昆虫挣扎过程中容易破碎,但底层晶体会在上层晶体遭到破坏后暴露出来,极大地减小昆虫脚与植物表面之间的接触面积,从而使昆虫难以立足,最终滑落至笼底。然而,科学家还发现猪笼草家族中的双齿猪笼草和文氏猪笼草并没有光滑的蜡质滑移区,却依旧可使走到捕虫笼边缘的昆虫掉落进去。口缘区内平滑重叠的表皮细胞构成了朝向捕虫笼的径向脊(图3),会被降雨、露水和自身分泌的花蜜润湿,将这些液体锁定在缝隙中形成连续液膜。这种液膜会排斥昆虫脚部的油脂,使踩在液膜上的昆虫脚部无法固定在表皮细胞上。从宏观上看,口缘区表面呈现出优越的润滑特性。

我们知道,工程上实现的冷凝传热模式为膜状冷凝。由于冷凝液膜的存在,阻碍了蒸汽与固体壁面直接的热量交换,并且冷凝液的导热率也低。因此,强化冷凝传热的关键在于提升冷凝液的排除能力,进而削薄冷凝液膜厚度。猪笼草口缘区表面润滑特性,为冷凝液高效排除和收集提供了新的启迪。借鉴此思路,美国研究人员采用PDMS亲水性润滑剂修饰固体表面达到高效收集空气中水分,此外液体润滑剂的良好流动性可使液滴迅速滑落并收集于容器中,进而开发出空气水分高效收集的功能表面材料。与此现象相类似,在现已使用的冷凝强化纵槽管和波纹管的基础上,对其结构表面进行润滑性功能修饰,可进一步提升冷凝液的排除能力及削薄冷凝液膜厚度,进而强化冷凝传热。此外,高效润滑表面甚至可能利于撕裂液膜,阻碍液膜形成,诱导冷表面发生可持续的珠状冷凝(图4),达到高效冷凝传热的目的。

伴随研究的深入,我们相信,猪笼草表面润滑特性将启迪科技人员研发出新型高效的冷凝传热强化表面,并有望用于海水淡化、冷凝换热和淡水收集等领域。

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中国热管理产业技术创新战略联盟 原创发布

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