香港城市大學(xué)（城大）的科學(xué)家受一種樹葉的啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)不同液體在同一材料表面上可以展現(xiàn)不同的鋪展流向。這一發(fā)現(xiàn)，打破了兩個(gè)世紀(jì)以來，表面科學(xué)領(lǐng)域認(rèn)為液體在材料表面上的鋪展方向和液體本身的性質(zhì)（表面張力）無關(guān)的常規(guī)認(rèn)識(shí)。這個(gè)突破性的發(fā)現(xiàn)，將掀起研究三維表面結(jié)構(gòu)來智能調(diào)控液體流動(dòng)的新浪潮，并對(duì)新型流控技術(shù)、強(qiáng)化傳熱等不同的科學(xué)及工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

在城大機(jī)械工程學(xué)系講座教授王鉆開教授的領(lǐng)導(dǎo)下，研究團(tuán)隊(duì)完全出乎意料地發(fā)現(xiàn)：在南洋杉葉片上水和酒精的流向完全相反。這個(gè)發(fā)現(xiàn)為控制液體流動(dòng)提供了一個(gè)很好的借鏡，也為液體傳輸研究開拓了新領(lǐng)域。研究結(jié)果剛發(fā)表在權(quán)威科學(xué)期刊《Science》上，題為〈Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering〉。

南洋杉是一種常用于園林設(shè)計(jì)的植物，其鋸齒狀的葉片順著葉尖的方向傾斜生長(zhǎng)并呈周期性排列。每片“鋸齒”都有一個(gè)尖端，鋸齒的表面稍為突起有弧度，底部則相對(duì)平滑。研究團(tuán)隊(duì)成員之一馮詩(shī)樂博士曾到香港一個(gè)種有南洋杉的主題公園游玩，當(dāng)時(shí)便被南洋杉葉片的獨(dú)特表面結(jié)構(gòu)所吸引，因而帶了一些南洋杉葉回實(shí)驗(yàn)室研究。

_{具不同表面張力的水和酒精會(huì)在南洋杉葉面上向相反的方向流動(dòng)。}

特別的葉片結(jié)構(gòu)令液體流向不同方向

王教授說：“傳統(tǒng)的認(rèn)知是，液體在表面上傾向于向系統(tǒng)能量降低的方向運(yùn)動(dòng)。而液體傳輸?shù)姆较蛑饕杀砻娼Y(jié)構(gòu)所決定，與表面張力等液體本身的特性無關(guān)。”然而，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，具有不同表面張力的液體，竟然會(huì)在南洋杉葉面上，朝相反的方向流動(dòng), 顛覆了傳統(tǒng)概念。

 

通過模仿南洋杉葉片的自然結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一款具有毫米級(jí)三維（3D）鋸齒的仿南洋杉葉片結(jié)構(gòu)的功能表面（Araucaria leaf-inspired surface, ALIS）。這些毫米級(jí)的3D鋸齒，令液體在其表面上會(huì)受毛細(xì)力作用（capillary action）而流動(dòng)。研究團(tuán)隊(duì)使用聚合物為材料，以 3D 打印復(fù)制了南洋杉葉的物理特性。他們發(fā)現(xiàn)，鋸齒的結(jié)構(gòu)和尺寸，特別是鋸齒尖端向內(nèi)彎的勾狀結(jié)構(gòu)、鋸齒尖端彼此間的距離、以及鋸齒的傾斜角度，都對(duì)控制液體流向十分重要。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)具高表面張力的液體，例如水，表面張力會(huì)將液體“釘住”在 3D 鋸齒的尖端。而由于鋸齒尖端的間距與液體中的毛細(xì)長(zhǎng)度（以毫米計(jì)）相若，液體可以逆鋸齒傾斜的方向向后倒流。相反，如酒精等表面張力低的液體，表面張力則成為了驅(qū)動(dòng)力，令液體順著鋸齒傾斜的方向向前流動(dòng)。

首次觀察到液體“選擇”流向

王教授說：“我們首次展示出液體可以在同一表面上‘選擇’傳輸方向，成功解決了自1804年以來表面和界面科學(xué)領(lǐng)域的世紀(jì)難題。新型毛細(xì)鋸齒的設(shè)計(jì)，令液體能夠根據(jù)表面張力和表面結(jié)構(gòu)之間的相互作用，而‘選擇’流動(dòng)的方向。我們觀察到不同的液體奇跡般地向幾個(gè)方向流動(dòng)——這是科學(xué)界首次紀(jì)錄到的現(xiàn)象。”

_{水（紅色）和酒精（綠色）會(huì)在ALIS功能表面上，向相反的方向流動(dòng)。}

更加有趣的是，團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水和酒精的混合液體在ALIS功能表面上，會(huì)因酒精的濃度不同而有不同的流向。酒精含量低于 10% 的液體，會(huì)逆鋸齒傾斜的方向向后倒流；含有 40% 以上酒精的液體則會(huì)順著鋸齒傾斜的方向流動(dòng)；而含有 10% 至 40% 酒精的液體更發(fā)生雙向流動(dòng)。

_{液體在ALIS功能表面上，作環(huán)狀的流動(dòng)。}

調(diào)整表面張力而控制液體流向

團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，三維毛細(xì)鋸齒的傾斜方向，可以促進(jìn)或抑制液體傳輸。當(dāng)團(tuán)隊(duì)將ALIS仿生表面垂直插入裝有酒精的器皿中，并保持鋸齒尖端朝上傾斜時(shí)，酒精的毛細(xì)上升量（capillary rise）顯得更高和更快；反過來，如果保持鋸齒尖端朝下，毛細(xì)上升量則較低也更慢。

團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)可為智能引導(dǎo)液體傳輸提供一個(gè)有效的策略，并為由結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的液體傳輸和新興應(yīng)用開辟新的途徑，例如新型流控技術(shù)設(shè)計(jì)、可應(yīng)用于電子或電腦零件散熱的強(qiáng)化傳熱、智能液體分類等。

王教授總結(jié)道：“我們的新型液體定向傳輸技術(shù)有多種優(yōu)勢(shì)，例如能夠在可控、無需借助外力的情況下，作快速兼遠(yuǎn)距離的傳輸，而且ALIS功能表面并不牽涉復(fù)雜的微/納米結(jié)構(gòu)，易于制作。”

 

王鉆開教授是這篇論文的通訊作者。曾獲王教授擔(dān)任博士后導(dǎo)師、現(xiàn)為大連理工大學(xué)（DUT）副教授的馮詩(shī)樂博士，以及朱平安博士是共同第一作者。其他合作者還有來自城大生物醫(yī)學(xué)系的副教授姚希博士、來自MNE的鄭煥璽博士和李加乾博士（現(xiàn)為香港大學(xué)的博士后）、來自DUT的劉亞華教授、詹海洋、陳琛以及香港大學(xué)的王立秋教授。

是次研究獲得香港研究資助局、香港創(chuàng)新及科技基金、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)、騰訊基金會(huì)、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金，以及星海人才培育計(jì)劃的資助進(jìn)行。

DOI number: 10.1126/science.abg7552

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