孔径梯度型单向导湿材料的制备与应用

李恒涛; 王潇可; 王国和; 王钟

doi:10.7536/PC240813

化学进展 ›› 2025, Vol. 37 ›› Issue (7) :1063-1073 DOI: 10.7536/PC240813

综述与评论

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孔径梯度型单向导湿材料的制备与应用

李恒涛 ¹ ,
王潇可 ² ,
王国和 ¹ ,
王钟 ¹^,^*

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Preparation and Application of Pore Gradient Unidirectional Moisture Conducting Materials

Hengtao Li ¹ ,
Xiaoke Wang ² ,
Guohe Wang ¹ ,
Zhong Wang ¹^,^*

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摘要

单向导湿材料是一种能够将水分从材料的一侧向另一侧运输，同时在相反方向阻碍水分运输的一种材料。而孔径梯度型单向导湿材料则是该类材料中重要的一种。孔径梯度类单向导湿材料通过材料自身的孔径梯度，在拉普拉斯力的作用下实现对水的单向输送。此类材料具有无需能量输入、稳定的优点，在定向集水、液体输送、油水分离等领域具有广泛的应用。本文首先介绍了单向导湿机制的分类，解释了单向导湿的理论机制，综述了孔径梯度型材料的种类，最后介绍了单向导湿材料目前和未来的应用领域，并总结展望了单向导湿材料现存的问题以及未来的发展方向。

Abstract

A unidirectional moisture transport material is a specialized type of material designed to transport moisture from one side to the other while simultaneously preventing moisture from moving in the opposite direction. Among these innovative materials， pore-gradient unidirectional moisture transport materials stand out as particularly significant. These advanced materials achieve unidirectional water transport through a carefully engineered gradient of pore sizes within the material， a process driven by the Laplace pressure. Such materials are not only eco-friendly and stable but also operate without requiring any external energy input， making them highly applicable and valuable in fields such as directional water collection， liquid transport， and oil-water separation. This paper first introduces a detailed classification of the various unidirectional moisture transport mechanisms and explains the underlying theoretical mechanisms from an energy perspective. It then reviews and analyzes the different types of pore-gradient materials. Finally， the paper discusses both the current and future applications of unidirectional moisture transport materials， along with a comprehensive analysis of their limitations and potential development directions.

Contents

1 Introduction

2 One-way moisture conduction mechanism of porous gradient materials

2.1 Classification of unidirectional moisture conduction mechanism

2.2 The mechanism of unidirectional moisture conduction explained from the perspective of energy

3 Classification of aperture gradient materials

3.1 One-component substrate aperture gradient material

3.2 Multi-component substrate composite aperture gradient materials

4 Applications of aperture gradient materials

4.1 Application of aperture gradient materials in directional water harvesting

4.2 Applications of aperture gradient materials in medical field

4.3 Applications of pore gradient materials in oil-water separation

5 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

单向导湿 / 孔径梯度 / 毛细效应 / 功能纺织品 / 水分管理

Key words

unidirectional moisture conductive / pore size gradient / capillary effect / functional textile / moisture management

引用本文

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李恒涛, 王潇可, 王国和, 王钟. 孔径梯度型单向导湿材料的制备与应用[J]. 化学进展, 2025, 37(7): 1063-1073 DOI:10.7536/PC240813

Hengtao Li, Xiaoke Wang, Guohe Wang, Zhong Wang. Preparation and Application of Pore Gradient Unidirectional Moisture Conducting Materials[J]. Progress in Chemistry, 2025, 37(7): 1063-1073 DOI:10.7536/PC240813

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1 引言

水是生命之源，如何从自然界中获得自身生存所需要的水分是各类生物都须解决的问题。经历35亿年的演化，自然界中许多生物都进化出了能够高效收集、运输水分的系统。如植物体内的导管系统，以及动物体内的血管网络等，它们为实现生命体的正常运转提供了必要的水分和营养物质^[1-2]。随着材料科学的进步，人们开始模仿自然界的这些现象，并设计和开发了一系列具有定向水分运输功能的材料。研究者们发现，自然界中能够定向运输水分的表面通常具有物理孔径梯度、润湿度梯度等。这些结构导致材料的表面能梯度和液滴上的拉普拉斯压力差，以此驱动液体发生定向运输现象。例如：仙人掌的针状毛刺具有锥状的多级结构，能够将液滴从毛刺尖端定向移至底部^[3-5]；蜘蛛丝在吸水后会发生“湿重建”，蜘蛛丝的接头到纺锤结的半径逐渐变大，蜘蛛丝的接头到纺圆锥体的曲率梯度产生的拉普拉斯压力差可以驱动液滴移动至纺锤结处^[6-9]；沙漠甲虫后背的凸起和沟槽使得背部凝结的水滴在达到一定大小后能够滚落到疏水沟槽中，实现对空气中水分的收集^[10]。

目前，通过构建具有内部的孔径梯度的材料是开发单向导湿功能材料的一大热点方向。研究者们通过组织结构设计、激光刻蚀等方法使材料内部具有孔径梯度。其中孔径梯度材料可分为以单一基底孔径梯度材料和多基底复合孔径梯度材料。孔径梯度材料拥有较高的稳定性和较好的可拓展性，在集水^[11-13]、油水分离^[14-18]、医疗^[19-21]等方面均有广阔的应用前景。本文在阐述了孔径梯度型材料的单向导湿机理和制备此类材料的主流方法后介绍了此类材料在各个领域的应用以及未来发展的方向。

2 孔径梯度材料的单向导湿机制

2.1 单向导湿机制的类别

目前，材料的单向导湿机制通常被归结为三种：差动毛细效应、润湿度梯度效应以及仿生蒸腾效应。孔径梯度类材料主要利用差动毛细效应来实现对液体的单向传递，利用拉普拉斯压力将液体从孔径较大的区域向孔径较小的区域单向运输^[22]。

2.1.1 差动毛细效应

差动毛细效应是由单向导湿材料中存在的孔径梯度结构所引起，孔隙越小，差动毛细效应越强，拉普拉斯压力（F_c）越大^[23]。当单向导湿材料结构在特定方向形成孔径梯度时，会引导液体由孔隙大的区域向孔隙小的区域进行定向运输，即单向导湿性能^[24]。拉普拉斯压力（F_c）如式（1）所示。

（1）$F_{\mathrm{c}}=\frac{2 \gamma_{\text {water }} \cos \theta}{r}$

在上述式子中，γ_water为水面张力，θ为水接触角，r为材料表面的平均孔径。从这个公式中可以看出，材料的孔径r减小，F_c增大，有助于水分在材料内的运输。构建分层微纳米结构是实现材料定向水分运输的重要方法^[25-26] 。

2.1.2 润湿度梯度效应

润湿度梯度是指材料由两个及以上的部分组成的多层结构，其中每层的润湿性完全不同，且各层材料的润湿性沿厚度方向逐渐变好或变差。当液滴率先接触到材料的疏水侧时，由于存在润湿性梯度，疏水层存在液滴运动的阻力，而亲水层存在对液滴的吸引力，液体可以从材料润湿性低的一侧向润湿性高的一侧单向运输。当液滴率先接触材料的亲水侧时，液滴会在亲水侧发生浸润，同时疏水侧的低润湿性阻碍了水分向疏水侧运输，实现材料的单向导湿。

2.1.3 仿生蒸腾效应

仿生蒸腾效应是润湿度梯度效应和差动毛细效应的结合，可以实现材料中快速高效的定向水分运输。其灵感来源于自然界中维管植物的蒸腾作用。维管植物的蒸腾作用是通过被动芯吸效应实现从土壤到植物茎叶的反重力水传输，具有多分枝的特点，且孔隙自下而上逐渐变窄，以通过毛细作用力使水分反重力运输^[27-29]。

2.2 从能量角度解释单向导湿机制

目前各个研究学者设计的单向导湿材料都是从构建材料内部孔径梯度，润湿度梯度开始，且液体都是从材料的疏水侧向亲水侧传输，反之则不行，这种现象可以从能量的角度去解释。当液滴被静置于表面，液滴一侧暴露于空气中，另一侧与固体表面接触，该液滴会将表面能转化为动能，为液滴的移动提供能量^[30]。

为了理解液滴运动的机制，可以将此运动中的能量转化过程表示如下。

材料的表面能可以表示为^[31]：

（2）$E=X \gamma_{\mathrm{lv}}+Y \gamma_{\mathrm{sv}}+Z \gamma_{\mathrm{sl}}$

其中，X、Y和Z分别是液体/蒸气、固体/蒸气和固体/液体的接触面积；γ_lv、γ_sv和γ_sl分别是液体/蒸气、固体/蒸气、固态/液态的相应界面张力。当水滴位于初始状态即未与材料表面接触时，水滴表面能为E₀，Z₀=0，Y₀=0；当水滴接触材料表面时，Y₁=0，上式中水滴的表面能可以表示为：

（3）$E_{1}=X_{1} \gamma_{\mathrm{lv}}+Y_{1} \gamma_{\mathrm{sv}}+Z_{1} \gamma_{\mathrm{sl}}$

（4）$\Delta E=E_{1}-E_{0}=\left(X_{1}-X_{0}\right) \gamma_{1 \mathrm{v}}+Z_{1} \gamma_{\mathrm{sl}}$

根据杨式方程^[32]，液体/蒸气、固体/蒸气、固体/液体的界面张力存在如下关系：

（5）$\cos \theta=\frac{\gamma_{\mathrm{sv}}+\gamma_{\mathrm{sl}}}{\gamma_{\mathrm{lv}}}$

θ为材料表面的水接触角，将式（4）代入式（3）中可得：

（6）

∆ E = Z 1 γ s v - Z 1

γ_lvcosθ+（X₁-X₀）γ_lv

化简得：

（7）

∆ E = (X 1 - X 0 - Z 1 c o s θ) γ l v

考虑到水滴与空气的接触面积与材料的接触面积发生了变化。使用微分和积分的思想可以得到水滴与空气接触面积与水接触角的关系。

设水滴半径为R，水滴与空气接触面积（X₁）与水接触角的关系：

（8）

X 1 = 2 π R 2 - 2 π R 2 c o s θ

（9）$Z_{1}=\pi(R \sin \theta)^{2}$

（10）

X 0 = 4 π R 2

将式（8、9、10）代入到式（7）中，化简得：

（11）

∆ E = - π R 2 (2 c o s θ + (s i n θ) 2 c o s θ + 2) γ l v

从式中可以看出

∆

E 与水接触角θ有关，随着接触角增大，

∆

E也在逐渐增大，且

∆

E恒小于0，这意味着水在润湿过程中表面能减少，释放的能量破坏水分与固体接触的表面，为液滴的运动提供动能，最终润湿。

3 孔径梯度材料的分类

近年来随着科学技术的发展，例如激光刻蚀技术、等离子体处理等技术日益成熟并逐渐应用到材料的加工处理中，孔径梯度材料不再局限于多种材料的复合，在单一基底的材料内构建孔径梯度成为可能。因此，孔径梯度材料可分为单一基底的孔径梯度材料和多基底复合的孔径梯度材料。表1为制备定向液体运输材料所用到的部分技术。

3.1 单一基底孔径梯度材料

单一基底孔径梯度材料是指材料基底仅为一种具备孔径梯度结构的材料。要构建此类材料内部的孔径梯度可以通过物理方法，例如通过激光刻蚀等技术制备具有分级微纳米结构的定向水分运输材料，也可以通过引入一种或多种化学物质，并使其浓度沿厚度方向逐渐变化，形成材料内部的孔径梯度例如：化学气相沉积法等方法。不管是物理层面的处理还是采用引入新物质的方法，处理过程始终是在单一材料上，不存在多种材料的复合，材料两侧通常不具有较大的润湿度差异。

Chen等^[33]发现Sarracenia毛状体表面水的高速传输现象是由其独特的分级微通道组织造成的（图1）。受Sarracenia毛状体表面的水分运输过程启发，Chen等采用数学建模与材料测试方法对这种分层微通道进行数值模拟与实验测试，揭示了一种通过激光刻蚀高低肋将副微通道包含于主微通道中以实现高水分定向传输的方法。研究发现，Sarracenia毛状体表面的水分运输速度比仙人掌刺和蜘蛛丝的速度快约三个数量级。当毛状体置于潮湿环境中时，在分层微通道内会形成一层水薄膜，超快集水和输水过程会自动开始，在形成稳定的薄膜后，即使没有出现大液滴，收集到的水的后续运输也会变得更快。该工作有力地证明了孔径梯度结构在定向水分运输中的潜力。

Wang等使用热丝化学气相沉积（HFCVD）技术将金刚石粉末沉积在β-SiC薄膜上合成微、纳米晶体金刚石/β-SiC复合梯度膜。通过该方法制备出了0.9 mm梯度长度、能够定向运输酸性或碱性溶液的纳米金刚石/SiC薄膜^[34]。不仅如此，他们还探究了表面粗糙度对水接触角的影响，发现微、纳米金刚石表面的微凸体都足够小，可以使液滴处于Cassie-Baxter状态。但纳米晶体金刚石表面覆盖率高于微晶金刚石，具有更高的水接触角与更低的表面能（图2）。

他们继续先前的研究思路，通过可控的化学气相沉积工艺，控制沉积温度和气相浓度，设计并合成了具有逐渐变化的多级结构和化学成分的多功能坚固金刚石梯度膜。分级微/纳米结构金刚石晶体的尺寸和丰度沿着膜的长度逐渐增加，这赋予梯度表面将水滴从高度疏水的富金刚石表面（接触角141°）引导到亲水的SiC表面（接触角13°）的能力（图3）。

3.2 多基底复合孔径梯度材料

将多种材料通过例如静电纺丝等技术复合成具有多层结构的材料，是目前制备具有定向液体输送能力材料的一大思路。相比单一基底材料，多基底复合材料可以针对各层材料改变各层的孔径、润湿度、厚度。这些都是影响材料定向运输水分能力的重要因素。还可通过改变复合材料的层数实现更大的孔径梯度，提高材料的定向输送能力自然界中的维管植物为实现更大的毛细管力和更低的流动阻力，拥有一种分级多孔结构，其中毛细管管径逐渐减小（图4a），使毛细管内有流体流动阻力最小，驱动水竖直运输的毛细管力最大^[39-41]。Miao等受维管植物的蒸腾过程启发，使用毛细管孔径（Dx）逐渐减小的分级多孔结构的聚氨酯（PU）/氮化硼纳米纤维（BNNS）来模拟血管组织和叶肉组织^[42]。通过静电纺丝纺出直径从2500 nm逐渐减少到300 nm的PU/BNNS纤维，制备出具有高定向运输能力的分级仿生多层纤维膜（图4b）。此外，他们使用Lucas-Washbur方程将拉普拉斯压力与Poiseuille层流方程相结合，描述纤维膜中的垂直芯吸和水平扩散行为^[43-45]。从理论上印证了纤维间通道之间的各向异性驱动力导致了垂直芯吸的增强和水平扩展的减弱。

在利用多层材料孔径梯度，构建材料纵向通道差异性，实现单向导湿的理论基础上，Chen等在输水孔道上进行了创新。他们在PLA非织造布表面静电纺丝PAN（OPAN）纳米纤维后进行亲水整理，得到具有超亲水性的HOPAN层，且亲水层具有径向的水分运输通道，使水分子能够自发扩散并沿着纤维膜径向快速转移^[46]。他们还对比了PLA非织造纤维和HOPAN纤维的平均孔径。观察到HPLA层的平均孔径为14.9 μm，比HOPAN层（1.72 μm）大一个数量级。因此，在HPLA和HOPAN两层之间产生了孔径不同的毛细管孔，这进一步增强了材料的单向导湿效应^[47]（图5）。

4 孔径梯度材料的应用

孔径梯度类材料以其独特的形貌，具有稳定、无需能量输入的优点。作为定向输送液体的多功能材料在定向集水^[48]、液体输送、油水分离^[49]等领域具有广泛的应用。

4.1 孔径梯度类材料在定向集水领域的应用

目前，淡水资源短缺问题日益严重。自然界中的雾气占地球上所有淡水的近10%^[50]，回收利用雾气中的水能有效缓解水资源危机。因此，有必要开发高性能的集水材料来缓解淡水短缺。研究者们通过对材料进行结构优化、润湿性梯度改性等方法实现材料对液滴定向聚集，增强对液滴的捕获能力^[51]。其中使用纤维作为材料基底制造的集雾器具有较好的集水性能^[52-54]。在水资源短缺的地区中，许多植物和动物都进化出了独特的雾水采集能力^[55]。早期研究发现，蜘蛛丝、仙人掌、纳米布沙漠甲虫、蜥蜴等自然生物能够从大气中收集雾水，这依赖于它们独特的不对称亲水/疏水表面润湿性和表面拓扑结构，赋予了这些生物表面定向水滴运动的能力。受这些原理的启发，研究者们通过构建疏水/亲水表面形态和设计材料内部孔径梯度，开发了定向液体运输材料。

Wu等通过静电纺丝双层PAN纳米纤维膜，对纤维膜进行差异性加热处理，制备疏水/超亲水定向导湿纤维膜^[56]。他们通过控制两层纤维膜的孔径，将疏水层大孔径、亲水层小孔径和疏水层小孔径、亲水层大孔径两种不同孔径梯度的纤维膜进行对比，发现在疏水层中具有较大孔径且在亲水层中具有较小孔径的定向芯吸膜的集水能力几乎是疏水层中较小孔径且在亲水层中具有较大孔径的定向芯吸收膜的1.7倍。这证明了合适的孔径梯度可以大大增强材料的单向液体输送能力（图6）。

对于具有两侧不同亲疏水性能的材料，集水过程通常开始于材料的疏水侧，在亲水侧液体无法定向向疏水侧运输。因此，Bao等开发了具有双向水传输特性的三层膜芯吸结构，用于连续高效的雾水收集^[48]。他们采用多层静电纺丝技术制备了三明治结构的复合纳米纤维膜，包括两层疏水性PLLA膜外层和一层经亲水整理剂（TF）原位静电纺丝改性的超亲水性PLLA薄膜中间层。在纤维结构和从外部疏水性水传输层到中间超亲水性水收集层的各向异性润湿性的协同作用下，所获得的膜表现出双向水传输性能和优异的集水能力。水可以自发地从两个外部疏水层渗透到中间的超亲水层，同时被阻止沿相反方向传输。其中，在三明治结构中，两侧传输层的孔径较大，中间层的孔径较小，这能进一步提高材料的定向集水能力（图7）。

但目前的定向集水材料通常采用静电纺丝技术，材料的耐用性、定向集水性能的稳定性仍是待解决的一大问题。且定向集水后水的脱附速率、恶劣环境因素对集水性能的影响程度等方面有待深入研究^[57]。只有在经过全面的实验验证后，这些方法才能被应用于大气水收集的实际场景中。

4.2 孔径梯度类材料在医疗领域的应用

孔径梯度型材料对液体定向运输的能力可以帮助伤口渗出液排除，同时阻隔外界污染液体渗入伤口^[58]，有利于伤口的愈合^[59]。不仅如此，在口罩等空气过滤器材方面，利用材料的定向运输特性可以顺利排出内部环境的水蒸气，提高使用者生理舒适度的同时也有利于降低内部气压，有利于与外界进行气体交换^[60-61]。Lan等采用静电纺丝法制备了一种分级结构空气过滤膜^[62]。内层为疏水性薄PCL纤维膜，PCL/明胶层作为中间层，外层采用PCL/明胶/ε-PL层。内层纤维膜孔径远大于中间层和外层，该过滤膜既能将滞留在纤维膜表面的细菌^[63]迅速灭活，更重要的是也能阻止外界环境水分进入，减少潮湿带来的不适感。同时外层较小的孔径可实现98.82% PM2.5过滤效率（图8）。

近年，用于监测人体健康的传感器成为一大研究热点，但在实际使用时仍存在一些问题。在贴身佩戴一些检测人体健康状况的传感器时，传感器周围皮肤产生的汗水可能会导致信号恶化、传感器故障、设备与皮肤分层等情况，严重影响收集的准确性^[64]。为解决上述问题，Xu等受生物体中的液体传输策略启发，开发了一种具有孔径梯度和表面能梯度的金/热塑性聚氨酯/纤维素膜（Au/TPU/CM）电极，可以将汗液从传感器/皮肤界面单向排出到传感器表面，从而防止汗液积聚引起的信号衰减和佩戴不适^[65]。该电子皮肤可以通过梯度孔隙率和表面能梯度的结合立即从界面向外界“泵送”汗液。所得电极具有良好的导电性（2.68 Ω·sq^-1），以及优异的水蒸气透过率和水蒸发率（分别是棉织物的2.2倍和7.1倍）。电子皮肤超快排汗能力不但提高了穿着舒适度，而且最大限度地减少了由于出汗引起的皮肤水合作用和温度的测量误差，消除了传感器阵列短路的风险，降低了噪声水平，提高了传感器的准确性和可靠性（图9）。

医用敷料的设计需要考虑到多种功能的集成，如止血^[66]、止痛^[67]、促进愈合^[68]等。如何在有限的尺寸和空间内实现多种功能的协同作用，是技术上的又一难题。在提高对伤口渗出液吸收的同时，提高敷料的生物相容性与安全性，确保医用敷料在植入体内后不会引起免疫反应。然而，由于生物体的复杂性和个体差异性，很难在实验室条件下完全模拟真实环境，需要通过大规模的临床试验来评估医用敷料的长期效果。

4.3 孔径梯度类材料在油水分离领域的应用

近年来，工业含油废水排放量的不断增加，对生态平衡和公众健康造成了广泛的破坏^[69-71]。含油废水通常含有复杂的成分，如油/水乳液、油/水多相混合物。使用膜分离技术以其能耗低、分离效率高、操作方便等特点，在污水净化中得到了广泛应用。近年来，研究者们利用孔径梯度效应开发了在较低驱动压力下具有定向运输性能、良好分离效率和高渗透通量的新一代特定水包油乳液分离膜，能够将触碰表面的液滴定向运输，从而成功地对油水混合物中微小液滴进行定向收集。对含油废水修复具有重要意义。

Zhang等以TPU为原料，通过CA包裹TPU开发了一种具有定向导湿功能的油水分离双层纳米纤维膜^[72]。TPU作为疏水层，CA/TPU为亲水层，通过调整静电纺丝参数，使得TPU纤维膜出现串珠结构，降低TPU层纤维膜的孔径，构建材料内孔径梯度。当油水混合物接触TPU层水分会在润湿度差异和孔径梯度的作用下，向CA/TPU层定向运输，而在定向运输过程中，TPU层的串珠结构截留的水起到排斥液相的作用，阻止油进入膜，从而产生其疏油性，实现油水分离效果（图10）。

不只有纤维膜应用于油水分离领域，具有多孔结构、高比表面积和大吸附能力的三维凝胶也被广泛应用于石油污染物废水处理领域。然而，由于传统气凝胶的局限性，油水分离过程不可持续、繁琐且成本高昂，不足以满足实际应用。Zheng等受竹茎、肾小球滤过膜中观察到的梯度多孔结构启发，从均匀的纤维素溶液中制备了具备孔径梯度结构的3D纤维素支架（GPDS）^[73]。孔径梯度结构有效地降低了GPDS的密度（0.019 g/cm³），同时显著提高了比表面积、孔隙率（98.82%）和抗压强度（在70% 应变下强度高达870 kPa）。GPDS的油/有机溶剂吸收在13~25 g/g，不混溶油水混合物分离可达99.8%，通量> 2000 L/m²·h，水包油乳液表面活性剂稳定（效率可达97.7%）。这种具有优异机械强度和分离性能的孔径梯度3D纤维素支架为开发先进的吸油材料提供了新的思路（图11）。

目前，制备具有复杂结构（中空、多孔等）的纤维膜，以实现更高的分离效率和更长的使用寿命，是当前研究的热点之一。油水分离材料的抗污染性、机械强度、热稳定性等性能仍存在较大提升空间。深入探索油水分离材料结构设计，优化制备工艺，以低成本、高生产效率制备出具有更高分离效率和更长使用寿命的材料。拓展其在油水分离领域的应用范围，如海洋石油泄漏处理^[74]、工业废水处理^[75]、食品加工废水处理等领域^[76-78]，满足不同行业对油水分离技术的需求。

5 结论与展望

孔径梯度结构的设计使得材料内部的孔径大小按照一定的梯度变化，这种变化可以产生毛细管压力差，从而促使液体在材料内部沿着特定的方向流动。与均匀孔径结构的材料相比，孔径梯度结构能够更有效地传输液体，在控制液体流动方向的场合中，如药物输送、水处理和空气净化等领域有着巨大的应用潜力。通过设计材料内孔径梯度结构，实现液体在材料中的定向运输，提高整体传输效率。本文总结了能够定向运输液体的孔径梯度材料结构特点、功能原理、孔径梯度材料的种类以及潜在应用领域。介绍了孔径梯度型材料在相关领域的开发与应用，提出了其未来研究的方向。

（1）孔径梯度结构对液体流动调节能力仍有提升空间。目前大多数孔径梯度型材料多同时具备润湿度梯度，利用材料内差动毛细效应与润湿性能差异，实现对液体的高效定向运输。如何提高孔径梯度对液体的调节能力是目前需要解决的问题。仿生是一个重要的研究方向。自然界中有很多精妙的液体运输系统（如植物的导管、动物的血管等），能够高效稳定地定向运输液体。

（2）孔径梯度设计的复杂性。孔径梯度型材料的孔径结构通常表现出从大到小的逐渐变化。这种设计需要精确控制梯度的分布，且在不同的材料体系中，孔径梯度的设计与实际效果可能不同，导致定向输送效果不如预期。

（3）大批量生产难度。制造孔径梯度型材料的工艺相对复杂且成本较高。如何实现高效、集中生产仍然是一个需要解决的问题。因此，提升现有的材料制备工艺或采用新型技术例如3D打印技术是降低生产难度的一个方法。

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