香港城市大学Science：液体自主选择自己的命运！
水往低处流，似乎是亘古以来不变的真理。然而，不甘平庸的小液滴，也希望有一天能够自主选择自己的命运。王钻开课题组 Nature Physics 2014王钻开课题组 Science Advances 2020王钻开课题组Science Advances 2017在香港城市大学王钻开教授的世界里，似乎总是要挑战传统，赋予液体各种各样的权利。自1804年Thomas Young[5]首次提出表/界面科学润湿性基础理论以来，研究者普遍认为，液体在固体表面的自发运动趋向于从能量高向能量降低的方向运动，其运动方向主要由材料表面结构决定而与液体本征性质无关。能否打破传统认知，在不改变表面结构和无能量输入的前提下，实现液体运动方向的自主选择，在基础研究领域尚未被解答。直到有一天，王钻开教授研究团队发现了一个反常而又有趣现象：在一种叫做南洋杉的叶片上，酒精沿叶片倾向的方向流动，而水沿着完全相反的方向流动！有鉴于此，香港城市大学王钻开教授及其合作者受南洋杉叶片多曲率结构特征及液体自主择向现象启发，设计与制备了一种亚毫米级3D毛细锯齿结构表面，建立非对称3D固/液界面交互作用，操控不同表面张力液体在固体结构表面的铺展模式，实现快速、长程、自主择向的流体操控，为流体操控的广泛应用提供了新的思路[6]。大连理工大学冯诗乐副教授和香港城市大学朱平安助理教授为本论文共同第一作者。【文末附有研究团队专访】1. 发现了一种亚毫米级3D毛细锯齿结构诱导的液体自主择向现象。2. 建立非对称3D固/液界面交互作用，调控不同表面张力液体的铺展模式和输运方向，实现自主择向、快速、长程的流体输运。2. 回答亚毫米级3D毛细锯齿结构诱导液体自主择向的基本原理。 图1. 亚毫米级3D毛细锯齿结构特征及液体自主择向，红色为低表面能液体，绿色为高表面能液体。研究团队发现，自然界南洋杉叶片由周期性排列的具有横向和纵向曲率的双重悬臂结构的锯齿组成（图2A-C）。在该结构上，酒精沿着结构倾斜的方向输运，这与传统倾斜结构表面液体的输运方向相同；而水沿着与结构倾斜方向相反的方向输运，这与传统认知背道而驰（图2D, E）。研究者模仿自然界南洋杉叶片结构特征，利用高精度3D打印技术，设计并制备仿南洋杉3D毛细锯齿结构表面，该表面由周期性排列的具有横向和纵向曲率的双重悬臂结构的锯齿组成，其结构尺度在亚毫米级，与液体毛细长度相当。当液体持续注入表面上时，低表面能液体沿着结构倾斜的方向运动，高表面能液体沿着与结构倾向相反的方向运动，两种模式相互转变时的临界接触角为42±5°。这种液体自主择向现象在油水分离和微电路器件中有着潜在应用。 图3. 仿南洋杉3D毛细锯齿结构特征及液体自主择向。研究者通过观察亚毫米级3D毛细锯齿结构固/液界面形态变化规律，揭示其诱导液体自主择向机理，研究发现，低表面能液体固/液界面展现自下而上的铺展模式，而高表面能液体展现自上而下的铺展模式。3D毛细锯齿结构的亚毫米尺度和双重悬臂结构特征，能够调控以上两个临界条件的阈值，进而调控液体的铺展模式和输运方向，实现液体的自主择向。图4. 亚毫米级3D毛细锯齿结构固/液界面形态及液体自主择向机理。
液体自主择向可用于调控毛细升效应。当3D毛细锯齿结构倾斜向上插入液体时，毛细升现象被显著增强，而当其倾斜向下插入液体时，毛细升现象被有效抑制。并且，研究者比较具有不同材料和结构表面的毛细升现象，发现3D毛细锯齿结构表面即使在没有任何纳米结构的前提下，依然实现速度最快、高度最大的毛细升现象。这在需要促进毛细升的领域如纺织染色、喷墨打印、海水淡化等，和需要抑制毛细升的领域如防腐、微生物传播等有着广阔的应用前景。图5. 亚毫米级3D毛细锯齿结构表面毛细升效应的促进和抑制固/液界面相互作用广泛存在于自然系统和实际工程领域，亲水表面液体快速铺展[7]和疏水表面上的液体快速弹跳[1]是固/液界面相互作用的典型。其中，亲水表面液体铺展速度、方向的控制在冷凝换热、界面减阻、喷墨打印等领域有着广泛的应用。疏水表面液体弹跳速度、时间的调控在自清洁、防污、防腐、抗结冰、能源收集等领域应用广泛[4]。研究者受自然界南洋杉结构和液体输运性能启发，设计并制备亚毫米级3D毛细锯齿结构表面，揭示了非对称3D固/液界面形态变化规律，阐明了其实现液体自主择向的机理。将液体自主择向应用于毛细升现象的促进和抑制，并且在没有任何纳米结构的前提下实现快速和长程的毛细升现象。以上研究为拓展流体操控的应用范围提供了理论支撑。本论文合作者包括香港城市大学机械工程系郑焕玺、李加乾，大连理工大学机械工程学院詹海洋、陈琛、刘亚华教授，香港城市大学生物医学科学系姚希副教授和香港大学机械工程系王立秋教授。1. 纳米人编辑部：这项研究是无意中发现，还是特意设计的结构？王钻开教授：如何在无外部能量输入的情况下让液体自主选择铺展方向这一科学问题一直在我的脑海里浮现，然而如何设计实现它来实现它却困惑着我。尽管我们前期也做出了一系列关于流体二极管的色的工作，但一直没有找到突破让不同的液体在同一表面上选择不同铺展方向的拓扑结构。幸运的是，第一作者在香港海洋公园旅游时发现了南洋杉叶片的独特三维结构（实际上香港到处都有南洋杉，我们的校园后面就有）。进一步研究发现，水和酒精在叶片上运动方向相反。可以说这一无意的发现，给与我们的研究最大的启迪。 2. 纳米人编辑部：和之前其他的“水往高处走”等液体定向运输的研究相比，这项研究最值得关注的新发现或者创新点是什么？王钻开教授：以往的液体定向运输研究中，在无外部能量输入的情况下，流体的输运方向是明确的，并不会因为流体性质的改变而变化。比如倾斜的阵列结构表面，水和酒精都能发生单向运动，但是其运动方向是相同的。我们工作的创新点有三个方面：1：全新的现象。我们受南洋杉叶片周期性排列的具有横向和纵向曲率的双重悬臂结构启发，设计并制备亚毫米级3D毛细锯齿结构表面。该表面通过建立一种全新的非对称3D固/液界面交互作用，调控不同表面张力液体的铺展模式和输运方向，实现了自主择向、快速、长程的流体输运。我要强调的是，我们的结构的特征尺寸在亚毫米，尽管没有微纳结构，但是液体的毛细升速度非常快。2：全新的机理。以往的液体浸润性和铺展都是2维的，在一个平面上。由于我们独特的结构，低表面能液滴展现三维空间的自下而上的铺展模式，而高表面能液体展现三维空间的自上而下的铺展模式，加上独特的顶端蘑菇头的结构，最终导致了液体的自主择向。相信这个工作应该会开辟三维浸润的这一全新的研究方向。3：观念的创新。我们的常规思维是“There's plenty of room at the bottom. ”以往绝大多数工作都是基于精细的微纳结构，然而我们反其道而行之，发现亚毫米尺度也有美的现象。这一点有点雷同于我们去年Nature的工作，不依赖精细的微纳结构，也可以实现美妙的宏观现象。3. 纳米人编辑部：这项研究中，遇到过最大的困难是什么？如何解决的？王钻开教授：在该研究中，最大的困难是明确流体自主择向与表面结构特征的关联并揭示流体自主择向的机理。我们通过高倍数的高速摄像技术，反复的观察流体运动过程中三相接触线的变化规律，并对比其与以往研究的区别，发现了一种全新的非对称3D固/液界面交互作用，这导致低表面能液滴展现三维空间的自下而上的铺展模式，而高表面能液体展现三维空间的自上而下的铺展模式。进一步，我们通过力学分析，揭示了横向和纵向曲率的双重悬臂结构特征对三向接触线处的动力和阻力的影响规律，从根本上揭示了亚毫米级3D毛细锯齿结构诱导流体自主择向的机理。[1] Y. Liu et al., Pancake bouncing on superhydrophobic surfaces. Nat. Phys., 2014, 10, 515-519.[2] Shile Feng et al., Tip-induced flipping of droplets on Janus pillars: From local reconfiguration to global transport. Sci. Adv.., 2020, 6, eabb4540.[3] Jiaqian Li et al., Topological liquid diode. Sci. Adv.., 2017, 3, eaao3530.[4] W. Xu, et al. A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density. Nature, 2020, 578, 392-396.[5] T. Young, An Essay on the Cohesion of Fluids. Philos. Trans. R. Soc. London 1805, 95, 65-87.[6] S. Feng†, P. Zhu†, H. Zheng, H. Zhan, C. Chen, J. Li, L. Wang, X. Yao, Y. Liu and Z. Wang*, Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering, Science, 2021, 373, 1344-1348.DOI：10.1126/science.abg7552https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg7552[7] M. K. Chaudhury, G. M. Whitesides, How to make water run uphill. Science, 1992, 256, 1539-1541.冯诗乐，大连理工大学机械工程学院副教授，大连理工大学“星海优青”，大连市新引进高层次人才。2017年7月在北京航空航天大学获得工学博士学位，导师是郑咏梅教授和侯永平副教授，2017年9月在香港城市大学从事博士后研究，合作导师是王钻开教授。2019年9月进入大连理工大学机械工程学院工作。主要致力于仿生功能表面结构设计、浸润性理论调控及应用基础研究。在Science，Sci. Adv.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Chem. Mater.，J. Mater. Chem. A等国际高水平期刊上发表论文30余篇，授权国家发明专利2项。朱平安，香港城市大学机械工程系助理教授。2013年本科毕业于中国科学技术大学安全科学与工程系，2017年于香港大学机械工程系获得博士学位，此后在香港大学、哈佛大学从事博士后研究，2020年底入职香港城市大学，成立界面和流体实验室（https://pinganzhu.wixsite.com/mecityu），主要研究方向包括微流控和仿生系统。曾获得香港大学机械工程系优秀论文奖，TechConnect全球创新奖，香港青年科学家奖工程领域提名。王钻开，香港城市大学机械工程系讲座教授。2000年毕业于吉林大学并获机械工程学士学位，2003年在中国科学院上海微系统与信息技术研究所，获微电子学硕士学位，2008年获美国伦斯勒理工大学机械工程博士学位，2009年在哥伦比亚大学进行博士后研究后入职香港城市大学。为香港青年科学院创始成员，国际仿生学会Fellow, 工学院副院长。曾获得科学探索奖，国际仿生学会杰出青年奖，国际文化理事会青年特别嘉奖，上银优秀博士论文指导教师奖（2016优秀奖，2019年银奖），香港城市大学杰出研究奖和校长奖。在Nature, Science， Nature Physics, Nature Materials等杂志上发表论文160余篇。
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