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仿生材料是一種“活”的材料，它可以通過吸取多種來自不同生命結構（形似）或是功能（神似）上的仿生靈感來不斷完成進化，形成超越自然進化的結構和功能的組合。受一種樹葉的啟發，由香港城市大學王鉆開教授領銜的研究團隊發現沉積在同一表面的不同液體的擴散方向是可以控制的，解決了兩個多世紀以來一直存在的挑戰。這一突破可能會引發使用3D表面結構進行智能液體操縱的新浪潮，對各種科學和工業應用（例如流體設計和傳熱增強）具有深遠的影響。相關研究結果以“Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering”為題發表在最新一期《Science》上。

【特殊的葉片結構使液體可以向不同方向擴散】

本文的第一作者Feng Shile在參觀香港一個種植南洋杉的主題公園時，葉子的特殊表面結構引起了他的注意。南洋杉是一種在園林設計中很受歡迎的樹種。它的葉子由周期性排列的棘輪組成，棘輪向葉尖傾斜。每個棘輪都有一個尖端，在其上表面具有橫向和縱向彎曲，以及相對平坦、光滑的底表面（圖1A-C）。

傳統的理解是，沉積在表面上的液體傾向于沿降低表面能的方向移動。其輸送方向主要由表面結構決定，與液體的表面張力等性質無關。但研究小組發現，具有不同表面張力的液體（具有不同表面張力 (γ) 和乙醇質量分數 (c) 的水-乙醇混合物）在南洋杉葉上的擴散方向相反，與傳統認識形成鮮明對比（圖1D-E）。

圖 1. 用于液體定向轉向的南洋杉葉的結構特征

由這一觀察觸發，作者使用3D打印來制造南洋杉葉子啟發的表面(ALIS)。ALIS由幾排平行棘輪陣列組成，間距p=750 μm，傾斜角α=40°，高度h=800 μm，行間寬度w=1000 μm，內間寬度d=400 μm，R1=400 μm，R2=650 μm（圖2A-C）。作者分別以3 μl/s的流速將c=40%和c=10%的水-乙醇混合物注入ALIS，如圖2D和2E所示，并觀察到與此類似的傳輸行為在南洋杉葉上。c=40%的液體混合物顯示向前傳輸（圖2D），而c=10%的液體混合物顯示向后傳輸（圖2E）。在直線（圖2D、E）和圓形（圖2F）棘輪陣列上的自發傳播過程中，液體的寬度幾乎沒有變化。這些結果不同于之前的研究，其中液體水坑在擴散過程中逐漸變寬，這表明3D棘輪的彎曲形狀對液體前沿進行了強烈的釘扎（圖2B、C）。圖2G繪制了ALIS上具有不同表面張力γ的液體的傳輸距離s。作者發現隨著平衡接觸角（θ）從~20°增加到~82°，傳輸方向從前向后反轉，在此期間交叉發生在θ=42°±5°，具有雙向模式（圖2G）。當ALIS置于傾斜角?(0°<??≤90°)下時，，盡管運輸距離s隨著?的增加而減小，這種方向轉向仍然保持（圖2H）。當在ALIS上注入體積比為1:1的水油混合物時，油和水顯示出相反的傳輸方向，無需重力即可實現完全分離（圖2I），與現有分離策略相反。此外，ALIS上水的單向傳輸可用于打開最初隔離的電路并點亮發光二極管，這提供了構建流體門的簡單途徑（圖2J）。

圖 2. ALIS上的液體定向轉向

【液體定向轉向機制】

作者首先檢查了θ=32°和θ=60°的兩種代表性液體的接觸線。最初，當填充在兩個相鄰棘輪之間的凹凸不平處時，液體被底部向前(b+)、底部向后(b-)、頂部向前(t+)和頂部向后(t-)的四個關鍵位置限制。θ=32°的液體首先在b+位置打破釘扎，然后從下到上潤濕棘輪。隨著它的上升，會出現一個新的自下而上的上升周期，導致向前的連續、長距離傳播（圖3A）。相比之下，θ=60°的液體被固定在b+和b-位置，選擇朝向頂部（t+和t-）位置的路徑，并通過連續的頂部到-底部芯吸（圖3B）。接下來，作者采用力分析探究了液體如何選擇其擴散方向（圖3C-E）。為了完全構建液體擴散的相位圖，作者還考慮了當θ≈θ +（圖3F，矩形）或θ<?θ ?<?θ +（圖3F，藍色區域）時在過渡區域中發生的雙向傳輸。

這些觀察結果表明，棘輪的結構和尺寸，尤其是棘輪尖端的凹入結構、棘輪的尖端間距和棘輪的傾斜角度，對液體方向轉向至關重要。對于具有高表面張力的液體，如水，研究小組發現液體的一個前沿被“固定”在3D棘輪的尖端。由于棘輪的尖端間距與液體的毛細管長度（毫米）相當，因此液體可以逆棘輪傾斜方向向后移動。相反，對于低表面張力的液體，如乙醇，表面張力起到驅動力的作用，使液體沿棘輪傾斜方向向前移動。

圖 3. 液體定向轉向機制

【液體定向轉向應用】

液體定向轉向可用于促進液體輸送，例如在紡織品染色、噴墨印刷和海水淡化中，或抑制液體芯吸，例如在防腐和微生物擴散中。該團隊發現3D毛細管棘輪可以根據棘輪的傾斜方向促進或抑制液體傳輸（圖4A-D）。當將棘輪向上傾斜的ALIS插入裝有乙醇的培養皿中時，乙醇的毛細管上升比具有對稱棘輪（棘輪垂直于表面）的表面更高且更快。當插入棘輪向下傾斜的ALIS時，毛細管上升較低。作者還比較了不同樣品的芯吸速度（圖4E-F），這證明了ALIS在不需要納米結構的情況下實現快速液體傳輸的有趣前景。

圖 4. ALIS促進或抑制毛細管上升

【總結】

該團隊制備的新型液體定向轉向器具有許多優點，例如可控性好、快速、長距離運輸和自推進。ALIS無需復雜的微/納米結構即可輕松制造。該發現為智能引導液體傳輸到目標目的地提供了有效策略，為結構誘導的液體傳輸和新興應用（如微流體設計、傳熱增強和智能液體分選）開辟了新途徑。

【作者介紹】

王鉆開是香港城市大學機械工程系教授，工學院副院長，教育部“國家人才計劃”講座教授，香港青年科學院創始成員。

他于2000年畢業于吉林大學，獲機械工程學士學位，2003年畢業于中國科學院上海微系統與信息技術研究所，獲微電子學碩士學位，2008年在美國倫斯勒理工大學(RPI)獲得機械工程博士學位，2008-2009年在哥倫比亞大學生物醫學工程系進行博士后研究，2018年入選香港青年科學院院士，2019年入選國際仿生學會Fellow。

他在Nature 、Nature Physics、Nature Materials、Nature Communications、Science、Science Advances、PNAS、PRL等學術刊物上發表SCI論文130余篇。曾獲第35屆世界文化理事會特別青年嘉獎，香港城市大學杰出研究獎以及國際仿生學會杰出青年獎。培養的博士生榮獲美國材料學會杰出研究生金獎和銀獎（目前香港地區唯一的金獎和銀獎）、上銀優秀博士論文銀獎,香港青年科學家獎。2020年9月，獲得第二屆科學探索獎（香港首屆）。

來源：高分子科學前沿

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