Fish Skin-Inspired Janus Hydrogel Coating for Drag Reduction
Yurong Zhang, Lijun Li, Ruteng Wang, Junwei Liu, Zhen Lin, Gang Li, Hongtao Liu, Yifeng Lei, Yunhe Xiong, Yan Zhao,* and Longjian Xue*
In nature, fishes have evolved functional skins with effective hydrodynamic performance and anti-fouling, facilitating predation and escaping from predators. Although a large number of fish scale-inspired structured surfaces have been explored, the incorporation of mucus on the structured surfaces has been largely ignored. Inspired by the skin of Osteichthyes fishes, a Janus hydrogel coating (JHC) is successfully prepared by a two-step UV light irradiation at room temperature. The bottom side of JHC (STH) achieves a shear adhesive strength of 103.3 ± 17.5 kPa and can strongly adhere to a large variety of surfaces, including metals, ceramic and polymers. The top surface of JHC (SLH) replicates the structure of cycloid scales, while the nature of hydrogel mimics the mucus on fish skin. SLH possesses prominent mechanical, anti-swelling, anti-fouling and drag reduction properties. The design strategy for JHC has potential applications in numerous fields, like, pipeline transportation, bioengineering, and shipping industry.Fish skin-inspired | Artificial coating | Hydrogel | Drag reduction | Antibacterial在自然界中，生物进化出近乎完美的结构和性质，表现出微观结构和机体功能的高度协调统一，具有微纳结构的表面是很多动植物赖以生存的关键性因素。近年来，武汉大学薛龙建团队从仿生学出发，以树蛙、壁虎、昆虫等生物为原型，设计构建了一系列仿生结构化表面，并探索了固固界面(Nat. Commun. 2015, 6, 6621. ACS Nano 2017, 11, 9711. Small 2019, 15, 1904248. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 46337. Mater. Today 2020, 35, 42. Small 2020, 202005493. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 31448. Chem Eng. J. 2023,454, 140227.)和固液界面(Adv. Sci. 2020, 7, 2001650. Surf. Tech. 2021, 50, 66. Appl. Surf. Sci. 2021, 536, 147788. Biomimetics 2022, 7, 108. J. Fluids Eng. 2022,144, 091201. Bioinspir. Biomim. 2022, 17, 041003. Chin. J. Appl. Chem. 2022, 39, 188. Chem. Eng. J. 2023, 471, 144625.)的黏附与摩擦行为，建立了仿生表面的微结构与界面黏附/摩擦性能的内在关联，开发更具优异性能的仿生智能表面。在众多工程领域，如管道运输、微流体和航运业，液-固减阻表面的需求正日益上升。目前，研究者已经开发了许多受鱼鳞启发的结构化表面，研究集中在鱼鳞结构对减阻性能的影响上。然而，鱼类的水动力性能是多种因素的综合效果，除了鱼鳞结构外，皮肤粘液的作用也不可忽视。鱼类皮肤粘液是生物大分子的混合物，它改变了鳞片的轮廓和表面化学性质，为鱼类提供了一个光滑的表面，使其具有减阻、防污和对水生环境的适应性。
基于此，张钰荣等设计开发了一种具有鱼鳞结构的Janus水凝胶涂层（JHC），结合鱼鳞结构和皮肤粘液的共同作用研究了该材料的减阻和防污等性能。作者采用两步紫外光照射成功制备了由黏附层(STH)和滑动层(SLH)组成，具有减阻功能的JHC水凝胶涂层。以壳聚糖季铵盐为物理交联剂的STH层，具有较低的化学交联程度，可以黏附在多种基材表面，例如陶瓷、玻璃、钢、铜、纸箱、竹子和聚合物等。同时，SLH层引入双网络交联体系，具有优异的力学性能；在10 mN的法向载荷下，红宝石与SLH表面的摩擦力仅为2.77±1.51 mN。经过150 h的浸泡，SLH在水中的溶胀率仅为11 wt%。优异的抗溶胀性确保了鱼鳞结构在水下的稳定性。作者采用粒子图像测速系统研究了JHC的减阻性能。与平面SLH相比，鱼鳞结构赋予JHC更短的水流速度梯度场，使水流到达无干扰速度的距离缩减了38.5%，且JHC表面上方相同距离处的流速均大于SLH平面上方的流速。该工作介绍了一种在生物工程、船舶等领域具有广泛应用前景的减阻表面，而且提供了一种制备Janus凝胶的方法。
图1 Janus水凝胶涂层(JHC)的设计与性能
上述研究结果作为封面文章发表于Chin. J. Chem. 2024, 42, 867-872, DOI: 10. 1002/cjoc.202300678。该项工作得到了教育部装备预研联合基金、中央高校基本科研业务费、国家自然科学基金、湖北电子制造与封装集成重点实验室（武汉大学）开放基金的资助。
Left to Right: Yurong Zhang, Lijun Li, Ruteng Wang, Junwei Liu, Zhen Lin, Gang Li, Hongtao Liu, Yifeng Lei, Yunhe Xiong, Yan Zhao, Longjian Xue
武汉大学 动力与机械学院
薛龙建：武汉大学教授，博导。国际仿生工程学会副秘书长、青年委员会主席，中国化学会仿生材料化学委员会委员，中国微米纳米技术学会微纳执行器与微系统分会理事。研究兴趣包括仿生功能材料、微纳加工、柔性传感等。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划课题等项目，目前已在Nat. Commun.等期刊上发表论文100余篇，出版英文著作1部，申请PCT专利2件，中国发明专利40余件、授权29件，主持团体标准3项。
