自然界的智慧给予人类无穷的启发。水面（air-water interface）是集水分、养料、阳光、氧气为一体的“宜居环境”，因此众多动植物都乐于栖息于此。然而，天下没有免费的午餐，想要在此生存，动植物需要掌握更多的本领。水上漂的水黾，水中藏的潜水钟蜘蛛，都是在水面环境中的逍遥高手。而莲叶就是植物中的水面生存代表，前期的工作中，我们已经论述了亲/疏水协调作用下的仿莲叶稳定漂浮载体（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1701466）。令人称奇的是，另外一种典型的水面植物——大薸（piáo），似乎具有比莲叶更加可靠和先进的漂浮能力。
通过对大薸（Pistia stratiotes）的界面漂浮能力进行研究，南开大学材料科学与工程学院曹墨源课题组联合香港理工大学王鹏伟博士，报道了一种具有亲/疏水Janus结构和内部导水通道仿生漂浮载体。在刷新了人们对水生漂浮植物结构认知的同时，为构建先进多功能漂浮载体提供了新思路，相关成果An interfacial floating tumbler with a penetrable structure and Janus wettability inspired by Pistia stratiotes发表于Materials Horizons, 2022, 9, 1888，并被选为内封面亮点报道。
图1：（a）大薸的结构示意图以及界面漂浮说明。（b）大薸的定向漂浮能力示意。（c）大薸叶片的快速排水能力示意。
从结构上讲，大薸的叶片具有多级超疏水结构，而底部的根系具有较强亲水性，这能令其可以稳定地漂浮在水面上。就算被压入水中，大薸也能够快速浮起并保持正确的取向。同时，大薸叶片之间的间隙能有效输运叶片上的多余液体，保证了叶片的干燥和功能。
图2：（a）葡萄糖模板法制备具有可控亲水结构的超疏水海绵。（b）所制备载体的浸润性。（c）微型漂浮载体以及其漂浮行为。（b）可控亲水区域比率。（e）可控亲水区域形状。（f）不同载体与水面的相互作用过程，亲/疏水Janus载体具有更加全面的漂浮稳定性。
仿生构筑方面，研究人员选择以亲水性密胺树脂海绵作为基底，利用葡萄糖浓溶液为模板构建出3D的亲水通道，后利用聚二甲基硅氧烷和疏水二氧化硅涂料进行超疏水处理。在将葡萄糖模板完全溶解之后，就得到了具有可控亲/疏水结构的多孔漂浮载体。
图3：（a）Janus漂浮体的重心位置计算。（b）界面翻转原理示意图。（c）波动水面上载体的稳定性评价。（d）载体的自由上浮和自发取向过程。（e）COMSOL模拟载体上浮+取向过程。
这种仿大薸漂浮载体在水波上能保持稳定漂浮，在水下释放后总是能定向地浮起。它之所以能像不倒翁一样，主要取决于亲水和超疏水侧的密度不同所造成的重心下移。同时，亲水和超疏水的表面与水面的相互作用也起到了协同作用。所制备Janus漂浮载体，在剧烈摇晃的水面上可以保持平衡。当被压入水下后，仿大薸载体也可以快速上浮并翻转到正确取向。
图4：（a）不对称液体渗透的示意图。（b）不对称液体渗透的实验观测。（c）不对称渗透行为和亲水通道尺寸的关系。（d）水面上的原位液体渗透过程。
此外，利用葡萄糖模板处理多孔海绵的好处在于能灵活的控制亲水部分的形貌，进而制作出垂直水通道的结构。这些贯穿的亲水通道能将超疏水表面的液滴捕捉并导流走，惟妙惟肖地模仿了大薸的渗水性质。值得一提的是，由于拉普拉斯压差，水滴从漂浮载体不同两端进入并穿过的速度有显著的差异，显示出不对称导液的性质，也侧面验证了自然界鬼斧神工的功能。
图5：（a）仿大薸发光微浮标的设计。（b）微浮标的快速上浮和自发取向。（c）利用微浮标的水上求救示意及实验验证。
最后，为验证仿大薸漂浮载体的可整合性，研究人员设计了一种永远向上的发光微浮标（micro-light-buoy）用于水面求救，并证明了其可靠的漂浮能力和潜在的应用价值。本项工作旨在设计具有更加多级智能结构的界面漂浮载体，希望对界面微航行器、界面日光蒸发、水培植物等领域的发展提供创新方法和优化思路。本工作受到国家自然科学基金项目、物质绿色创造与制造海河实验室、以及化学工程联合国家重点实验室探索性课题的资助。
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