打破常规认识：液体竟可“选择”铺展方向！

香港城市大学（城大）的科学家受一种树叶的启发，发现不同液体在同一材料表面上可以展现不同的铺展流向。这一发现，打破了两个世纪以来，表面科学领域认为液体在材料表面上的铺展方向和液体本身的性质（表面张力）无关的常规认识。这个突破性的发现，将掀起研究三维表面结构来智能调控液体流动的新浪潮，并对新型流控技术、强化传热等不同的科学及工业应用产生深远的影响。

在城大机械工程学系讲座教授王钻开教授的领导下，研究团队完全出乎意料地发现：在南洋杉叶片上水和酒精的流向完全相反。这个发现为控制液体流动提供了一个很好的借镜，也为液体传输研究开拓了新领域。研究结果刚发表在权威科学期刊《Science》上，题为〈Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering〉。

南洋杉是一种常用于园林设计的植物，其锯齿状的叶片顺着叶尖的方向倾斜生长并呈周期性排列。每片“锯齿”都有一个尖端，锯齿的表面稍为突起有弧度，底部则相对平滑。研究团队成员之一冯诗乐博士曾到香港一个种有南洋杉的主题公园游玩，当时便被南洋杉叶片的独特表面结构所吸引，因而带了一些南洋杉叶回实验室研究。

_{具不同表面张力的水和酒精会在南洋杉叶面上向相反的方向流动。}

特别的叶片结构令液体流向不同方向

王教授说：“传统的认知是，液体在表面上倾向于向系统能量降低的方向运动。而液体传输的方向主要由表面结构所决定，与表面张力等液体本身的特性无关。”然而，研究团队发现，具有不同表面张力的液体，竟然会在南洋杉叶面上，朝相反的方向流动, 颠覆了传统概念。

 

通过模仿南洋杉叶片的自然结构，研究团队设计出一款具有毫米级三维（3D）锯齿的仿南洋杉叶片结构的功能表面（Araucaria leaf-inspired surface, ALIS）。这些毫米级的3D锯齿，令液体在其表面上会受毛细力作用（capillary action）而流动。研究团队使用聚合物为材料，以 3D 打印复制了南洋杉叶的物理特性。他们发现，锯齿的结构和尺寸，特别是锯齿尖端向内弯的勾状结构、锯齿尖端彼此间的距离、以及锯齿的倾斜角度，都对控制液体流向十分重要。

研究团队发现，对具高表面张力的液体，例如水，表面张力会将液体“钉住”在 3D 锯齿的尖端。而由于锯齿尖端的间距与液体中的毛细长度（以毫米计）相若，液体可以逆锯齿倾斜的方向向后倒流。相反，如酒精等表面张力低的液体，表面张力则成为了驱动力，令液体顺着锯齿倾斜的方向向前流动。

首次观察到液体“选择”流向

王教授说：“我们首次展示出液体可以在同一表面上‘选择’传输方向，成功解决了自1804年以来表面和界面科学领域的世纪难题。新型毛细锯齿的设计，令液体能够根据表面张力和表面结构之间的相互作用，而‘选择’流动的方向。我们观察到不同的液体奇迹般地向几个方向流动——这是科学界首次纪录到的现象。”

_{水（红色）和酒精（绿色）会在ALIS功能表面上，向相反的方向流动。}

更加有趣的是，团队的实验发现，水和酒精的混合液体在ALIS功能表面上，会因酒精的浓度不同而有不同的流向。酒精含量低于 10% 的液体，会逆锯齿倾斜的方向向后倒流；含有 40% 以上酒精的液体则会顺着锯齿倾斜的方向流动；而含有 10% 至 40% 酒精的液体更发生双向流动。

_{液体在ALIS功能表面上，作环状的流动。}

调整表面张力而控制液体流向

团队还发现，三维毛细锯齿的倾斜方向，可以促进或抑制液体传输。当团队将ALIS仿生表面垂直插入装有酒精的器皿中，并保持锯齿尖端朝上倾斜时，酒精的毛细上升量（capillary rise）显得更高和更快；反过来，如果保持锯齿尖端朝下，毛细上升量则较低也更慢。

团队的发现可为智能引导液体传输提供一个有效的策略，并为由结构诱导的液体传输和新兴应用开辟新的途径，例如新型流控技术设计、可应用于电子或电脑零件散热的强化传热、智能液体分类等。

王教授总结道：“我们的新型液体定向传输技术有多种优势，例如能够在可控、无需借助外力的情况下，作快速兼远距离的传输，而且ALIS功能表面并不牵涉复杂的微/纳米结构，易于制作。”

 

王钻开教授是这篇论文的通讯作者。曾获王教授担任博士后导师、现为大连理工大学（DUT）副教授的冯诗乐博士，以及朱平安博士是共同第一作者。其他合作者还有来自城大生物医学系的副教授姚希博士、来自MNE的郑焕玺博士和李加乾博士（现为香港大学的博士后）、来自DUT的刘亚华教授、詹海洋、陈琛以及香港大学的王立秋教授。

是次研究获得香港研究资助局、香港创新及科技基金、深圳市科技创新委员会、腾讯基金会、国家自然科学基金会、中央高校基本科研业务费专项资金，以及星海人才培育计划的资助进行。

DOI number: 10.1126/science.abg7552

p>本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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