仿睡半岛体育莲叶片稳定漂浮装置 Cell Press对话科学家
半岛体育在动态水波环境下保持稳定漂浮状态对水生植物的生存、浮标的耐久使用、岸边码头的安全停靠、钻井平台的高效作业、乃至大型漂浮城市的建设都有重要意义。此前，关于漂浮物稳定漂浮的研究大多集中于主动式的复杂锚定装置设计，对漂浮物自身的边缘结构研究相对较少。睡莲作为早期的基部被子植物，其叶片具有独特的缺口结构，我们发现叶面上下表面具有亲水性、侧壁具有超疏水性，能够在复杂的水流环境下稳定浮于水面，但动态稳定漂浮的机制仍有待探明。
基于此，来自中国科学院理化技术研究所的江雷/董智超团队近日在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了题为“Water-lily inspired notch for passive stabilization in floating devices”的论文。受睡莲叶片稳定漂浮于水面的启发，本文提出了一种利用稳定钉扎的气液界面和稳定震荡的液体弹簧效应协同增强动态稳定漂浮性能的新方法。
作者首先研究了侧壁浸润性对静态漂浮性能的影响（图2）。通过光学和X射线表征发现半岛体育，在垂直下压缺口漂浮物的过程中，缺口内三相接触线逐渐淹没亲水侧壁，而在超疏水侧壁处得以稳定钉扎。值得注意的是，在较大浸没深度（对应较大静水压力）下，超疏水侧壁依旧可以稳定钉扎三相接触线。原位力学表征显示，具有超疏水侧壁且缺口角度较小的漂浮物具有较大的垂直浮力Fz和更优的静态稳定漂浮性能半岛体育。
作者进一步分析了垂直下压过程中漂浮物所受的水平作用力Fx。水平作用力来源于漂浮物的倾斜半岛体育，而倾斜则是由于支撑杆两侧漂浮板所受静水压不对称导致。研究结果表明（图3），随着缺口角度减小半岛体育，水平作用力也随之减小。当支撑杆位于缺口漂浮物的重心两侧时，水平作用力方向发生反转，但垂直浮力的数值保持相近。
作者接着探究了在水波冲击下不同缺口漂浮物的动态稳定漂浮性能。在周期性震荡的水波冲击下，亲水侧壁缺口内的液体逐渐淹没漂浮物，而超疏水侧壁缺口则将受限液体稳定钉扎于缺口内（图4）。基于此，缺口内连续震荡的液体弹簧作用于缺口边界。首先，垂直震荡作用力Fz（~ 10.0 mN）产生于缺口内液体的静水压力波动，缓冲外界的水波冲击；其次，水平震荡作用力Fx（~ 1.0 mN）来源于平面水波的辐射应力，直接作用于缺口侧壁。值得注意的是，Fx远小于Fz，这表明缺口内受限液体弹簧震荡作用可有效缓冲外界水波的冲击，从而显著提高漂浮物的动态稳定漂浮性能。
此外，作者通过高频水波冲击自由漂浮物的实验，放大了缺口内受限液体的缓冲效果，并发现缺口角度约为 30˚的缺口漂浮物具有最优的缓冲效果和最佳的动态稳定漂浮性能（图5），这一发现与自然界中睡莲叶片的缺口角度分布（图1）相一致。作者还展示了缺口漂浮物作为光伏电池板负载平台以及新型摩擦纳米发电机的潜在应用前景。最后，阵列化缺口修饰的浮标及码头均表现出更加优异的动态稳定漂浮性能。
综上所述，本文提出了一种利用缺口结构辅助漂浮物稳定漂浮的新策略。为此，设计了具有超疏水侧壁的缺口漂浮物：一方面，超疏水侧壁稳定钉扎缺口内的气液界面；另一方面，缺口内的受限液体震荡有效缓冲水波冲击。研究表明，在高频水波冲击下，缺口角度约为30˚的自由漂浮物具有最优的动态稳定漂浮性能。相信在未来，普适的缺口结构可以作为一种新型的结构设计思路，在多功能水面漂浮物的设计中发挥更加广泛的应用价值。
盛夏光景，履荫临池，“曲曲折折的荷塘上面，弥望的是田田的叶子”。千载之前，理学五子周敦颐所见，想来也是同样的风致。按历来莲荷不分，令周子盛赞“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”的“亭亭净植”之”莲叶”，也就是朱自清笔下“出水很高，像亭亭的的裙”的荷叶。本课题关注的浮水植物——睡莲，不同于具有超疏水自清洁特性的荷。
我们提出的这种缺口漂浮物对应是一种被动式的稳定漂浮策略，其并不依赖于外界主动式的复杂锚定装置，对复杂水流环境均具有优异的适应性。此外，缺口结构具有普适、易加工和低成本的优势，可广泛应用于不同材质、不同密度以及不同尺寸的多功能水面浮标的边缘结构设计中去。此外，随着海洋能源开发的不断推进，缺口结构还有望应用于水产养殖和水面光伏漂浮板的结构设计中。
其次，在应用展示方面，为探究此缺口结构是否可被应用于真实水波环境中大尺寸浮标的稳定漂浮，我们开展了多次户外水域的验证实验。在这些实验中，我们遇到了很多意想不到的困难，比如合适水域的选择、水面漂浮板的放置以及水流复杂多变等半岛体育，然而，凭借团队的共同努力，我们克服了这些挑战，最终完成了大尺寸缺口浮标在户外复杂水流环境中稳定漂浮的验证。
Device是Cell Press细胞出版社旗下一本旗舰期刊，也是Cell、Chem、Joule和Matter的姊妹刊。Device期刊的发表内容主要涵盖物理、生物、化学、材料、信息科学和工程学等领域中具有突破性和多学科交叉性的应用技术研究成果。其目标是促进科研领域的创新整合与交叉融通，以激发科研群体的创造力，从而研发出具有现实意义且能够提高人们生活质量的新设备和新器件。
