摘要：近日，中国科学院理化技术研究所董智超、戴浩宇等人合作在Science Advances期刊上发表了题为“Rapid water drainage on human eyelashes of a hydrophobic Brachistochrone fiber

近日，中国科学院理化技术研究所董智超、戴浩宇等人合作在Science Advances期刊上发表了题为“Rapid water drainage on human eyelashes of a hydrophobic Brachistochrone fiber array”的最新论文。

作者简介

董智超，中国科学院理化技术研究所研究员。2011年毕业于吉林大学化学学院，获学士学位。2016年7月毕业于中国科学院化学研究所，获物理化学博士学位，师从江雷院士。2016年加入中国科学院理化技术研究所。研究领域是仿生液体绕流方面的研究，尤其是将材料化学体系的宏观和微观研究手段与仿生学研究手段相结合，针对绕流研究中的挑战，从宏观到微观尺度开展了系统的研究工作。在PNAS，Sci. Adv., Nat. Commun.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.等杂志上共发表SCI论文50余篇。

戴浩宇，中国科学院理化技术研究所副研究员，硕士生导师。2015年本科毕业于清华大学化学系，化学生物学专业。2020年博士毕业于北京大学化学与分子工程学院，物理化学专业，师承江雷院士。2020年加入中国科学院理化技术研究所工作，研究方向集中于超浸润界面材料化学，提出电场驱动液体可控输运策略，实现离子风诱导界面液相分离，领导大气等离子体超浸润界面处理技术的研发，推进其在材料改性、纺织印染、界面活化等材料、环境和能源领域的产业化应用。研究成果在Sci. Adv.，Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.，Adv. Sci.，Nano Res.等学术期刊发表论文20余篇，申请中国发明专利12项。

研究背景

随着现代社会对液体管理需求的不断增长，液体排放与排水技术在各个领域引起了广泛关注。液体排放不仅仅在工业、航空、汽车等领域具有重要应用，在自然界中，许多生物也通过独特的结构与机制有效地排除液体，以适应潮湿或多雨的生存环境。例如，水黾凭借其腿部覆盖的微毛阵列以及纳米沟槽自我去除水滴，水滴在其表面几乎不接触，从而保持漂浮；而睫毛作为人类眼睛的保护屏障，其作用也在生物学研究中引起了越来越多的讨论。尽管已有大量关于表面液滴排放与滑动动态的研究，但关于柔性结构如何通过多层次的结构协同作用实现高效液体排水的机制，尤其是在像睫毛这样微观、复杂结构中的表现，仍然存在很多未解之谜。

目前，研究主要集中在液体在单一纤维、顶点、圆锥等简单几何结构上的排放、滑动与转移动态。然而，这些研究大多忽略了在更复杂的结构系统中，特别是柔性、多结构协同的体系中，液体排水过程中的细节和机制。特别是对于睫毛这样的复杂结构，其表面微棘与宏观曲率如何影响液体排放，如何通过这种结构的多层次效应提高排水效率，尚未得到充分探讨。此外，目前的研究较少关注液体滑动速度与路径之间的关系，特别是液滴在曲线路径（如最速降线）与线性路径上的滑动差异，以及这一差异对排水效率的影响。

成果简介

本研究通过深入分析人类睫毛的结构特性，揭示了其疏水性柔性纤维阵列与表面微棘、宏观曲率等多重结构的协同作用，能够定向并迅速排除进入的液体，从而有效保护眼睛免受液体干扰。

研究表明，睫毛结构通过微棘的各向异性滞留作用、柔性纤维阵列的弹性排放以及液滴沿最速降线路径的滑动，显著减少了液滴的接触时间，比刚性线性坡道上的接触时间减少了约20%。通过这种多层次的结构和动态机制，睫毛能够高效地实现液体排放，为液体管理提供了新的思路。

研究亮点

1. 本研究首次阐明了人类睫毛利用疏水性弯曲柔性纤维阵列以及表面微棘和宏观曲率（近似最速降线）的结构特征，定向并迅速排除进入的液体，从而有效保持视力清晰。

2. 研究通过对人类睫毛的结构特性进行详细表征，发现其独特的多结构组合有助于液体排放过程。具体来说，液体首先通过微棘结构在纤维表面滞留，然后在疏水性柔性纤维阵列的偏转作用下，液体被弹性排放。最终，液滴沿最速降线路径滑动，显著加速排水过程。

3. 与刚性线性坡道相比，使用人类睫毛结构的排水系统可以将液滴的接触时间减少约20%。这种多层次的液体排放机制，从微棘的各向异性滞留到纤维阵列的弹性排放，再到最速降线路径的快速滑落，表现出高度的排水效率。

图文解读

图1. 人类睫毛表征及水滴排放过程。

图2. 纤维阵列的柔性和可湿性对水滴滑动动态和排水的影响。

图3. 纤维阵列的宏观曲率对水滴滑动动态的影响。

图4. 类似人类睫毛排水边缘的应用假设。

结论展望

本文研究揭示了人类睫毛自然弯曲结构在排水功能中的独特优势，并提出了模仿这一结构设计的应用潜力。睫毛的弯曲度与水排放速度之间存在密切关系，婴儿的自然下倾睫毛能够有效地引导水流，避免眼部被水侵扰，这一原理为设计具有优异排水性能的材料提供了新的思路。通过模仿睫毛的纤维阵列结构，研究者不仅在增强美观的同时解决了睫毛的保护问题，还为无人飞行器镜头的防水设计和户外电气箱的防潮保护提供了实用方案。

值得注意的是，疏水性涂层的应用，使得这些模拟结构能够有效排除水分，而不损害原有的保护功能，展示了生物启发设计在现代技术中的广泛应用前景。此外，研究也启示我们，在设计其他纤维阵列结构时，如何平衡功能性和美观性，将为未来的材料设计和实际应用带来更多创新思路，特别是在防水、透气等领域。

文献信息

Shan Zhou et al. ,Rapid water drainage on human eyelashes of a hydrophobic Brachistochrone fiber array.Sci. Adv.10,eadr2135(2024).DOI:10.1126/sciadv.adr2135

来源：华算科技