猪笼草表面连续定向输水Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata-2016-阅读笔记

nepenthes alata猪笼草 一种食肉植物

打破了传统水往下流的思路，仿生猪笼草表面结构，提出定向水传输结构。

许多自然系统都包含能够进行定向水传输的表面或线1-7。 这种行为通常归因于微米级和纳米级的分层结构特征，表面能梯度 8,9 和拉普拉斯压力梯度 10 被认为是主要驱动力。 在这里，我们研究食肉植物 猪笼草 的捕食捕虫笼器官。 我们发现在“唇”的表面（捕虫笼的边缘）发生连续的定向水传输，因为它的多尺度结构优化和增强了传输方向的毛细管上升 11,12，并通过固定到位防止回流 任何向相反方向移动的水锋。这不仅导致了在没有任何表面能梯度的情况下单向流动，而且还导致了远高于先前想象的输运速度。我们预计，这种行为的基本设计原则可以用于开发具有实际应用价值的==人工流体输送系统artificial fluid-transport system with practical applications==。

热带植物N. alata有一个长10-15厘米的“猪笼草”——一种高度改良的捕食器官，充满了消化液;在上边缘是一个拱形的组织环，称为孔peristome，从内部到外部约1-2厘米宽(图1a)。猪笼草能消化昆虫，以满足基本的营养需求。捕虫笼可以消化昆虫以满足基本的营养需求 13,14，当这些昆虫在唇表面“滑水”15 时被捕获，唇表面完全可以被雨水、露水或高湿度的水以及从花外蜜腺分泌的花蜜润湿投手的内缘。光滑的表面被设计成模仿自然的孔表面的结构和行为，但其功能背后的机制仍然存在问题。

图1 |孔表面定向水输运的原位光学观测。a, alata的水罐的光学图像，显示一个明显的捕食孔(左)和孔的横截面图像(右)。壶状体长10 - 15厘米，上缘有孔。该孔呈拱形，从内部到外部的距离约为1 2厘米。b、用微升注射器将液滴(与蓝墨水混合)滴在孔体上;这种液滴可以克服重力，在几秒钟内从内部向外部定向传输(但不是相反的方向)。红色箭头表示水运方向。c，从内部到外部的水运输被限制在一个单一的大通道内。淤积水的起始界线(用白色矩形标出)在运输过程中不改变。d，这张放大的水边界部分图像表明，水的输送进一步限制在大约10个微通道内，分布在大通道内。每个微通道由间距约为100 μm的拱形微腔组成。b-d中的黑色部分表示水滴。

图2 |口缘的表面特征。a，孔壁表面呈现出独特的二级微槽结构特征。一阶微槽L1宽度为461.72 49.93 μm。白色箭头指示的方向的内部的孔。b，每一个一阶微槽由大约10个二阶微槽组成，每一个二阶微槽包含周期性的鸭嘴微腔，边缘呈拱形。二级微槽在一级微槽沟谷处的L2宽度为50.18 6.18 μm。图中数字1-4与图中数字d.c对应，图中A和b位置的垂直剖面显示鸭嘴微腔顶部封闭，边缘锋利，外表面略有倾斜。邻近的微腔重叠(重叠的近似起点用白色箭头标出)。d，每个鸭嘴微腔都有倾斜的(梯度)楔形角，用绿色箭头标记;梯度开口角度，β，用绿色虚线标记。邻近微腔之间的重叠(红色箭头所示)沿脊方向变得明显。e，楔形角的开口角度表明，微腔顶部的梯度从大约90下降到大约28(误差棒表明至少5个独立测量的标准偏差)。插入图像显示了微腔的高度。==d图咋切片的==d每个鸭嘴微腔都有倾斜（“渐变”）的楔形角，用绿色箭头标记； 梯度张角 β 用绿色虚线标记。 由红色箭头标记的相邻微腔之间的重叠沿着山脊变得明显。

在这里，我们使用高速摄像机观测来监测水沿着孔表面的运动(图1b)。我们发现了由内到外的定向传输:水滴沉积在内孔边缘的水在几秒钟内移动到外孔边缘，而水滴沉积在外孔边缘的水不能移动到内孔。原位光学显微镜观察(图1c)显示，水的输送仅限于垂直于孔边缘的单一大通道内;水没有横向扩散超过初始沉积区域的宽度(图1c中用白色矩形标出;参见补充视频1;水沿着几个平行运输大型渠道,见补充视频2)。图1 d的更高分辨率的图像显示,水运实际上是局限于大约10式微通道分布在大频道,每个微通道,包括拱形相结合的间距大约100μm。这些结构特征确保了水从壶状体蒸发并在内缘冷凝，会扩散到整个孔表面，使其更滑，也可能导致水的输送方向。

利用扫描电子显微镜(SEM)对孔壁表面进行详细的结构表征，可以看到排列整齐的两阶径向脊 线，形成两阶平行微槽(图2a;截面见扩展数据图1a)。每个一阶微槽L1的宽度为461.72 49.93 μm(图2a)包含约10个二阶微槽，其L2的宽度从一阶微槽的脊向谷方向增加(谷处达到50.18 6.18 μm)。拱型(或鸭嘴型)微腔沿二级微槽有规律分布(图1d和图2b)，整体向上倾斜，拱的顶部指向外侧。通过小孔的垂直截面表明微腔的顶部是闭合的(图2c;侧视图见扩展数据图1b)，外围表面略有倾斜，边缘锋利。周期性微腔沿脊重叠(图2c中白色箭头表示脊的起始点)，给定微腔与其相邻重叠部分的重叠在微腔顶部移动时变得更加明显(图2d中红色箭头)。每个腔体的侧面形成一个楔形(图2d中的绿色箭头)，开口角β从微腔底部大约90°的初始值开始下降至顶部约28°(图2e和扩展数据图2)。

沿单个二级微槽的水扩散过程的原位观察表明，沉积后的水接触线（图 3a 中的虚线表示）与微腔的轮廓重合，表明水被钉扎在锐角处。 微腔的边缘。 根据吉布斯不等式 20，大约 2° 到 8° 的边缘角 φ（形成锐边的两个表面所对的角度）有利于水钉扎，并防止从外部到内侧进行润湿 唇（扩展数据图 1b；参见方法进一步讨论）。 相比之下，水从内到外的传输只是通过单个微腔的连续填充而发生的。水边界的轮廓（由图 3b 中的虚线表示）表明，水最初沿楔形角扩散，然后将空气推出以填充微腔，最后会聚在微腔的前部（图 3b）。3b 和补充视频 3；请参阅扩展数据图 3，以获取水填充单个微腔的完整说明）。 因为相邻的微腔重叠，一个微腔的填充在前一个微腔的填充完成之前开始。

润湿性测量表明，渗透体表面是亲水的，能量色散谱仪(EDS)测量表明，缺乏化学梯度(扩展数据图4)。我们使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)复制模压方法制作人工孔21(扩展数据图5)，并使用氧气等离子体处理调整它们的表面能22。我们发现定向水运只有PDMS表面亲水(图4),与一种内在的水和表面之间的接触角小于65,构成新提议boundary23, 24间疏水性和亲水性(之前所知接触角边界是90)。具有超亲水表面的人造PDMS孔显示出最快的水扩散速度，接近天然孔表面测量的输水速度(约78 12 mm s 1)(图4a)。图4b, c展示了传输实验。当水放置在疏水PDMS表面内侧或外侧时，均未发生水的输送(图4b和扩展数据图6c、d)。然而，当人工表面超亲水时，发生了定向水的输送(图4c和扩展数据图6e)。因此，超亲水性对于该系统中的定向水输送至关重要。并确保在自然和人工的孔表面都能更快地进行运输，这比之前一项记录不对称表面结构造成的单向润湿的研究要快得多。

图3 |孔表面的定向水输运过程。a，高速数字图像显示水滴(虚线)沉积在孔表面后的起始边界如何变化。最终边界与微腔的轮廓相吻合，表明微腔的尖锐边缘阻止了水的扩散。水从外到内的渗透被钉在锋利的边缘而停止。b，重叠鸭嘴微腔间连续水输送过程的高速数字图像。当水填满一个微洞时，一些水溢出来开始填满下一个微洞。虚线表示水运边界。c，水输运过程的三维图解。下层水层III填满单个微腔(黄色箭头)并溢出形成上层水层II。在第2微腔完全填充之前，上层水层(棕色箭头)变为上层水层，第I层(绿色箭头)，填充第三微腔。相反方向的输送不会发生，因为水被固定在适当的位置，水的边界与锋利的边缘重合。

图4 |定向输水机理。a，只有当PDMS是亲水的(即水与PDMS分子的内在接触角小于65)时，人工PDMS复制品上才会发生定向水输运;当表面改性为超亲水性时(即固有接触角小于5)，水的输运速度最大。误差条表示至少五个独立测量值的标准偏差。b、疏水PDMS人工表面上的水不能从内到外(左)或从外到内(右)。c、在超亲水人工表面，水可以由内侧向外侧(左)输送，而不能由外侧向内侧(右)输送。b和c中的图像显示了大约7秒后的最终状态(详见扩展数据图6)。

超亲水表面通常不具备定向水运动的能力，除非它们包含一个化学梯度。在缺乏这种梯度的透气孔表面，定向的水输送来自其独特的结构特征，这使得水能够填充微腔，因为在角落的毛细上升，第一次描述于1712年(参考文献11,12)。具体地说,这种类型的毛细上升发生在两个垂直相交的亲水性板块形成的角对应的楔角微腔图2 c所示(扩展数据图7,右),液体可以填补和使用提供无限上升,年轻的接触角θ,对板上的液体和角开口角α，满足α/2 + θ 90(参考文献26、27)。在这种情况下，毛细管上升高度He(x)由下式给出

其中，γ， ρ， θ和g分别为表面张力，液体密度，水接触角和重力常数。然而，大自然并不使用简单的角毛细上升与一个恒定的开角，而是通过结构的孔，使其有一个梯度，从而使它更强大:在给定的微腔底部的开口角α1大于其顶部的开口角α2(扩展数据图2)。α2(扩展数据图7b，右)，假设α1和α2之间的差是无穷小的(见方法)，毛细管高度上升He(x)可以表示为

其中h是两个相交板的高度。通过对两个方程的比较可知，在开口角恒定的情况下，将α1 = α2设为毛细管上升高度，α1 &gt毛细管上升高度较大(或较小);α2(或α1 <α2)。

简单的实验(扩展数据图7)证实了开孔角度的梯度和相反的梯度引起的水位上升的增强和降低。有趣的是，在一个垂直角通向水平角封闭的顶部的系统中，水沿着垂直梯度上升，然后继续填充顶部水平角。这一效应使系统中的含水率增加了40%左右(扩展数据图8a)，并将保水时间延长至固定开孔角度下系统的两倍(扩展数据图8b)。在孔内，使用了一种对称的、顶部封闭的微腔结构，可以发挥这些作用，并使水的上升比普通的毛细管上升更强劲。这与水在微腔的尖锐边缘反向钉扎一起，使得水能够沿着微孔表面连续而快速地定向输送。利用这些原理的人工系统可能会在需要定向流体输送的应用中得到应用，例如，在农业滴灌或非动力微药物输送中。