随着全世界人口的持续增长、工业化水平的不断提高以及环境污染问题的逐渐加剧,水资源短缺问题日益凸显,如何高效地获取淡水资源成为当下热点议题。液体控制技术是缓解水资源短缺危机的重要手段之一,典型液体控制技术包括:海水淡化技术、雾汽收集技术、液体输运技术以及油水分离技术。一方面,借助海水淡化技术与雾汽收集技术,通过控制液体物相转化,可以从自然界现有含水体系中将水分提取出来,获取新的、可再生的淡水资源,做到开源;另一方面,利用液体定向输运技术及油水分离技术,可以改变液体空间位置及控制液体组成,实现水资源的统筹调配及含油废水的循环利用,避免水资源浪费及水体污染现象进一步恶化,做到节流。通过上述4种关键性液体控制技术,可以实现水资源的开源节流,形成水资源开发利用的良性循环局面。典型液体控制技术的推广应用依托于液控功能材料的研发制备,经过几个世纪的努力,科研工作者们开发出大量的液控功能材料。然而,传统液控功能材料存在以下技术难题:海水淡化材料光热转换效率低以及机械稳定性差(主要由光热转换纳米颗粒与基底材料结合力弱造成);雾汽收集材料及液体定向输运材料低效的雾汽捕获能力及液体传输方式,造成雾汽收集及液体输运速度过低,远不能满足日常生产生活的用水需求;过滤式油水分离材料网状结构易被高粘油品堵塞,进而影响油水分离效率。因此,液体控制功能材料的设计研发仍然存在较大的发展和提升空间。众所周知,材料优异的性能不仅取决于化学组成,更与结构有着密切关系。师法自然,蝴蝶在亿万年的自然选择和进化过程中,为了适应冰原、荒漠以及雨林等地域严酷的生存条件,其蝶翅逐渐形成具有优异液控功能的体表结构,并且蝶翅体表结构的液控性能是现有液控功能材料所远不能及的,这些生物结构为设计开发新型仿生液控功能材料提供了新思路、新借鉴。本文选取生活在典型极端地域的蝴蝶物种为生物模本,结合仿生学原理,运用试验表征和理论分析揭示了蝶翅的液体控制机理,构建了蝶翅多尺度分级结构可视化模型,以此为基础设计制备了4种仿蝶翅多尺度分级结构和仿蝶翅液控功能材料,并从基础理论、仿生设计和性能测试等方面进行了相关研究。本文主要研究内容如下:1.蝶翅多尺度分级结构表征及液体控制能力测定,包括:蝶翅类蜂窝状结构耦合碳基生物质高度集成式地展现出高效光热转换特性、脊阵列—褶皱纹理分级结构优异的润湿性放大特性、疏水粘附性棘轮状结构的液滴定向输运特性、脊阵列—褶皱纹理分级结构耦合特殊浸润性基团形成的去油污特性。(1)综合采用光学体视显微镜、超景深三维成像系统、扫描电子显微镜以及激光共聚焦显微镜等仪器表征蝶翅鳞片或刚毛的特征形态结构和关键尺寸参数。宏观尺度上,蝶翅表面分布有交替重叠的鳞片或刚毛阵列;微观尺度上,鳞片或刚毛表面具有多尺度分级结构:微米尺度初级结构,如周期性的脊阵列和随机分布的孔结构等,以及纳米尺度次级结构,如堆叠的片层结构和褶皱状纹理等。(2)借助搭建的光学测试平台、模拟喷雾装置、高速摄像系统等仪器观测蝶翅多尺度分级结构的液体控制行为及关键液控参数。蜂窝状结构与碳基生物质耦合高度一体化地表现出优异的陷光特性,从而提高蝶翅光热转换效率;微米级脊阵列和纳米级褶皱纹理与疏水性生物质耦合,赋予蝶翅超疏水特性,确认了微纳分级结构的润湿性放大功能;随着刚毛表面液滴尺寸的增长,疏水粘附性棘轮状结构实现了液滴沿刚毛自下而上克服重力的定向输运;确认了褶皱纹理结构与表面特殊浸润性官能团耦合,使蝶翅对液体混合物具有选择通过性和去油污特性。2.蝶翅多尺度分级结构优异液控性能的形成原因、影响因素和内在机理。类蜂窝状结构使翅膜内部分布有大量内腔,内腔结构对太阳光的多重反射机制增加了光程及光能转化次数,因此类蜂窝状结构耦合碳基生物质一体化展现出优良的光热转换特性;微米级脊阵列及纳米级褶皱纹理显著提高了蝶翅的比表面积与表面粗糙度,配合蝶翅疏水性组分,在润湿性放大机制作用下,使蝶翅表面具有特殊浸润性;疏水粘附的材料属性配合棘轮状特征结构,使刚毛对液滴存在单向铆定力,当液滴尺寸增长并发生液滴间合并时,液滴仅能向刚毛上端移动,最终实现液滴的定向输运;褶皱纹理结构在脊阵列结构单元两侧形成大量的液体通道,其表面的特殊浸润性官能团可选择性使油相通过而将水相排斥于通道外,同时,褶皱纹理结构的存在提升了表面积密度,增强了油品挥发速度,因此蝶翅具有对液体混合物的选择通过性以及去油污特性。3.液控功能材料结构模型的仿生设计,包括:类蜂窝状结构模型、脊阵列—锥形柱分级结构模型、类棘轮状结构模型以及树状结构模型。根据蝶翅液体控制特性的影响因素及作用规律,运用耦合仿生学原理,优化设计出4种仿蝶翅特征多尺度分级结构液控功能模型,包括:类蜂窝状结构模型多重反射的陷光机制及集成式高效光热转换能力;脊阵列—锥形柱分级结构模型耦合亲水性材质,在润湿性放大机制作用下展现出的超浸润特性及高效雾汽捕获能力;疏水粘附性棘轮状结构模型单向铆定的液滴定向输运机制;树状结构模型高表面积密度属性耦合表面特殊浸润性基团所具备的去油污特性。4.仿蝶翅多尺度分级结构液控功能材料的制备及性能检测。基于上述蝶翅多尺度分级结构模型及机理设计制备了4种仿蝶翅液控功能材料,并对仿蝶翅液控功能材料的特征形貌和结构进行多尺度表征,结果表明,仿蝶翅液控功能材料具备与蝶翅原型类似的多尺度分级结构,达到了“形似”仿生的目的。此外,针对不同的应用场景,设计搭建了仿生液控材料性能测试装置,测试结果表明,在功能表现方面,仿蝶翅液控功能材料与蝶翅生物模本保持了高度的一致性,从而达到了“神似”仿生的最终目标。