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一叶一Science：仿生功能表面，流体自主择向

来源：花匠小妙招时间：2024-12-28 20:35

一叶一Science：仿生功能表面，流体自主择向

2021-09-28

常言道“人往高处走，水往低处流”，在重力的影响下，流体总是趋向更低的水平面。不过，也存反常的“水往高处流”的现象，比如强风吹得瀑布倒流，再比如生活中时时得见的毛细现象和虹吸现象，更高科技的，比如构造不同润湿性的纳米结构表面 [1]、打印表面电荷梯度 [2] 等，也可以实现液体的受控定向运动。

在强风作用下，瀑布也可倒流

类似强风这样的外力作用虽然可以改变流体的运动方向，但外力消失之后流体运动就会恢复原样，比如风停之后瀑布依然会飞流直下。在固体表面，如果没有外部能量输入，流体的走向也并非“掌握在自己手中”——只能趋向于沿着系统能量降低的方向运动，也就是说，流体的运动方向主要由固体表面结构决定而与其自身的表面张力等本征性质无关。这也是自1804年Thomas Young首次提出表/界面科学润湿性理论以来的传统认知。

那么这个传统认知是否一定正确呢？换句话说，在不改变固体表面结构、无能量输入的前提下，流体能否自己“当家作主”选择运动方向呢？

南洋杉及其叶片微观结构。图片来源于网络

近日，一片叶子——来自南方公园中的常见乔木南洋杉（Araucaria）——帮助科学家们回答了这个两个多世纪以来一直悬而未决的问题。通过对南洋杉叶片结构的细心研究，香港城市大学王钻开教授与合作者们报道了亚毫米级三维（3D）毛细锯齿结构诱导的不同表面张力流体自主择向现象。其中的关键在于非对称的3D固/液界面相互作用，调控具有不同表面张力流体的铺展模式，实现同一表面上流体的自主择向。他们还模仿南洋杉叶片结构构建了具有3D毛细锯齿结构的仿生功能表面，展现出和南洋杉叶片相似的性能，低表面能流体沿着锯齿倾斜的方向运动，而高表面能流体运动方向与之相反。在自主择向性能之外，这种功能表面上流体的流动还具有自推进和高流速的特点。相关论文发表于Science，第一作者为冯诗乐博士、朱平安博士。

南洋杉的叶片结构与水/乙醇以及两者混合物的运输特性。图片来源：Science

南洋杉的叶片由周期性排列3D锯齿组成，这种锯齿在横向和纵向都有一定曲率的弧度，构成了双重悬臂结构。在这种独特的结构上，具有低表面张力的乙醇会沿着锯齿倾斜的方向流动，而表面张力较高的水则沿着与锯齿倾斜方向相反的方向流动。没有纳米结构，没有电荷或者温度的梯度，流动方向完全由流体自身的表面张力决定，这与传统认知背道而驰。

南洋杉叶片上水与乙醇的背道而驰。图片来源：Science

为了验证这个奇特的现象，研究人员使用3D打印制造了仿南洋杉叶片结构表面（ALIS）。这种ALIS由毫米级、同样具有横纵双曲率的3D锯齿阵列组成。当使用不同浓度水/乙醇混合液体进行扩散试验时，可以观察到和南洋杉叶片上同样的自主择向行为。

3D打印仿南洋杉叶片结构的液体运输行为。图片来源：Science

为什么会有如此独特的自主择向现象呢？

作者认为不同于传统微米结构表面仅能诱发2D固/液界面作用，南洋杉叶片及其仿生结构表面上非对称3D固/液界面交互作用，是调控不同性质流体实现不同3D铺展模式的关键。如上图右的运输行为所示，对于表面张力较小的液体，其固液界面接触角较小，当滴在ALIS的锯齿上时会渗进缝隙底部，并自下而上逐渐填满，随后沿着锯齿倾斜的方向在锯齿缝隙中不断铺展；而表面张力较大的液体则先团聚在锯齿上方，然后自上而下逐渐浸润锯齿，从而向后方，也就是朝锯齿倾斜的反方向不断铺展。

液体自主择向机理研究。图片来源：Science

如上图力学模型分析所示，A图中表面张力较小的液体会浸润底面并在两侧产生驱动力Fd，锯齿横向和纵向的双重曲率使液体两侧润湿角的不同，从而产生的驱动力与阻力也是不对称的，因而液体可以突破锯齿的钉扎效应，沿着底面向外扩展；而B图中表面张力较大的液体则会产生沿着锯齿表面向下的驱动Ft。同时作者也给出了流体自主择向现象和表面结构及流体表面张力的关系。

估计不少重视应用的读者会习惯的问一句——“这有什么用？”

来看看几个概念验证式的应用演示。这种基于表面张力的液体定向运输可以用来实现简单的油水分离。当在ALIS上注入体积比为1:1的水油（二氯甲烷）混合物时，油和水显示出相反的传输方向，与现有的分离方法相比，不需要外界能量就可以实现完全分离。

油水分离（左）与流体电路（右）。图片来源：Science

此外，水在ALIS上的单向传输可以用来打开原本隔离的电路并点亮发光二极管，这为构建流体电路提供了一个简单的方法。

ALIS对于毛细升现象的抑制和促进。图片来源：Science

同时，ALIS能显著促进或抑制毛细升现象。实验发现，在没有曲率的对称锯齿构成的普通表面上液体会由毛细作用上升到6 mm的高度；而在锯齿尖端朝上放置的ALIS上，液体则可以上升到16 mm；而当把ALIS的锯齿尖端朝下放置时，毛细现象则会被显著抑制，只有2 mm高。这类液体定向扩散可用于促进毛细升的领域，如纺织品染色、喷墨打印和海水淡化等，或抑制毛细升，如防腐和抑制微生物扩散。

简评

这种全新的亚毫米级3D毛细锯齿结构，摆脱了以往的微纳结构的2D浸润模式，借助于独特的非对称3D固/液界面交互作用巧妙地实现不同表面张力流体的定向流动，同时具有扩散方向控制良好、自推进、高速和长距离运输等优势。这一突破可能引发新一波利用3D表面结构进行智能液体操控的新浪潮，对流体设计和传热增强等各种科学和工业应用具有深远影响。

PS：据报道该文思路最初源自冯诗乐博士的一次出游，他当时在香港一家主题公园中放松心情，无意间注意到了南洋杉叶片的独特结构……[3]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering

Shile Feng, Pingan Zhu, Huanxi Zheng, Haiyang Zhan, Chen Chen, Jiaqian Li, Liqiu Wang, Xi Yao, Yahua Liu, Zuankai Wang

Science, 2021, 373, 1344-1348, DOI: 10.1126/science.abg7552

参考资料：

1. Malvadkar N A, Hancock M J, Sekeroglu K, et al. An engineered anisotropic nanofilm with unidirectional wetting properties. Nature Materials, 2010, 9, 1023-1028.

2. Sun Q, Wang D, Li Y, et al. Surface charge printing for programmed droplet transport. Nature Materials, 2019, 18, 936-941.

3. World’s first discovery of liquid directional steering on a bio-inspired surface

https://www.cityu.edu.hk/research/stories/2021/09/17/worlds-first-discovery-liquid-directional-steering-bio-inspired-surface

（本文由Silas供稿）

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