水向上流不是梦! 实现液滴高速的长距离自驱动传输新策略！
一直以来，若要在没有外力推动的情况，在固体表面上高速地传输液滴一段长距离，甚至令液滴反地心吸力而行，都是一项艰巨挑战。不过，由来自香港城市大学（城大）、三间大学及研究所的科学家们组成的研究团队，于近日研发出了新方法，能够让液滴在不施加外力的情况下，实现自驱动，高速传输一段长距离，并首次实现液滴沿着表面垂直上升。这新策略对于在微流器件、生物分析器件等方面的应用打开了新机遇。
传统传输液滴方法包括利用表面的浸润性梯度（wetting gradient）作为推动力，把液滴从疏水的表面部分推往亲水的表面。
不过，这个方法受制于液滴水动力学︰当液滴要以高速传输时，需要较大的浸润性梯度，但这局限了其传输的距离；当要传输较长的距离时，则需要较小的浸润性梯度，以降低液滴与固体表面之间的粘附力，但这又会使传输速度受到限制。
为克服这些挑战，城大机械工程学系王钻开教授与电子科技大学邓旭教授、德国马克斯—普朗克高分子研究所的Hans-Jürgen Butt教授以及中国科学技术大学的研究员进行合作，研发出一套新方法，实现了不同表面上单向和自驱动的液滴传输，而且速度达到历来最高的1.1m/s，比之前文献纪录的最高速度高出十倍；传输距离亦是最长，理论上是无限制。
首创利用表面电荷密度
这次研究成果的关键，在于首次引入「表面电荷密度梯度」（surface charge density gradient, SCD）的概念。
研究团队首先用连串水滴撞击特制的「超双疏」*表面，当水滴撞击到表面时，水滴会立即分散、收缩、再从表面反弹，这导致水滴的电子分离，因而使表面变成带有负极。
研究人员通过调控连串水滴撞击到表面的高度，产生连续变化，使表面的电荷密度逐步转变并形成一个梯度（gradient）。然后，当要传送的液滴被放到表面时，表面电荷密度梯度便成为液滴的推动力，液滴随即自动移向电荷密度较高的方向。
不同于以化学或形态原理造成的梯度，用这种新方式在表面上形成电荷密度梯度之后，能够轻易对梯度作出更改，从而改变液滴的传输路径。研究同时显示，即使在室温，滴液也不需借助任何外力，实现高速和极长距离的传输。
这种液滴传输方式不只局限于平坦表面，更可以在具弹性和垂直的表面进行。此外，这方法适用于不同液体的传输，包括表面张力低、介电常数低的液体、血液或盐溶液。
微流控器件的潜在应用
王钻开教授说︰“这次研究采用表面电荷密度梯度的原理来实现液滴传输，是之前未曾有人探索过的。我们相信这次研究成果将打开研究新方向和发现更多应用潜能。例如，在生物医药方面，研究人员可根据自身需要设计不同的电荷密度梯度来影响细胞迁移及其他行为。”
邓教授亦指出，这个新方法将可应用于芯片实验室、微流体器件、生物分析器件，以至材料科学、流体力学等范畴。
这次研究刚于最新一期的学术期刊《Nature Materials》上发表，题为“Surface charge printing for programmed droplet transport”。研究获得国家自然科学基金委员会、香港的研究资助局、德国马克斯—普朗克学会和欧洲研究理事会（European Research Council）的资助。
王教授、Hans-Jürgen Butt教授和邓教授是论文的通讯作者，第一作者为电子科技大学基础与前沿研究院博士生孙强强。
DOI number: 10.1038/s41563-019-0440-2
本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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