打破常規認識:液體竟可「選擇」鋪展方向!
香港城市大學（城大）的科學家受一種樹葉的啟發，發現不同液體在同一材料表面上可以展現不同的鋪展流向。這一發現，打破了兩個世紀以來，表面科學領域認為液體在材料表面上的鋪展方向和液體本身的性質（表面張力）無關的常規認識。這個突破性的發現，將掀起研究三維表面結構來智能調控液體流動的新浪潮，並對新型流控技術、強化傳熱等不同的科學及工業應用產生深遠的影響。
在城大機械工程學系講座教授王鑽開教授的領導下，研究團隊完全出乎意料地發現：在南洋杉葉片上水和酒精的流向完全相反。這個發現為控制液體流動提供了一個很好的借鏡，也為液體傳輸研究開拓了新領域。研究結果剛發表在權威科學期刊《Science》上，題為〈Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering〉。
南洋杉是一種常用於園林設計的植物，其鋸齒狀的葉片順著葉尖的方向傾斜生長並呈周期性排列。每片「鋸齒」都有一個尖端，鋸齒的表面稍為突起有弧度，底部則相對平滑。研究團隊成員之一馮詩樂博士曾到香港一個種有南洋杉的主題公園游玩，當時便被南洋杉葉片的獨特表面結構所吸引，因而帶了一些南洋杉葉回實驗室研究。
具不同表面張力的水和酒精會在南洋杉葉面上向相反的方向流動。
特別的葉片結構令液體流向不同方向
王教授說：「傳統的認知是，液體在表面上傾向於向系統能量降低的方向運動。而液體傳輸的方向主要由表面結構所決定，與表面張力等液體本身的特性無關。」然而，研究團隊發現，具有不同表面張力的液體，竟然會在南洋杉葉面上，朝相反的方向流動, 顛覆了傳統概念。
通過模仿南洋杉葉片的自然結構，研究團隊設計出一款具有毫米級三維（3D）鋸齒的仿南洋杉葉片結構的功能表面（Araucaria leaf-inspired surface, ALIS）。這些毫米級的3D鋸齒，令液體在其表面上會受毛細力作用（capillary action）而流動。研究團隊使用聚合物為材料，以 3D 打印復制了南洋杉葉的物理特性。他們發現，鋸齒的結構和尺寸，特別是鋸齒尖端向內彎的勾狀結構、鋸齒尖端彼此間的距離、以及鋸齒的傾斜角度，都對控制液體流向十分重要。
研究團隊發現，對具高表面張力的液體，例如水，表面張力會將液體「釘住」在 3D 鋸齒的尖端。而由於鋸齒尖端的間距與液體中的毛細長度（以毫米計）相若，液體可以逆鋸齒傾斜的方向向後倒流。相反，如酒精等表面張力低的液體，表面張力則成為了驅動力，令液體順著鋸齒傾斜的方向向前流動。
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領域的世紀難題。新型毛細鋸齒的設計，令液體能夠根據表面張力和表面結構之間的相互作用，而‘選擇’流動的方向。我們觀察到不同的液體奇跡般地向幾個方向流動——這是科學界首次紀錄到的現像。」
水（紅色）和酒精（綠色）會在ALIS功能表面上，向相反的方向流動。
更加有趣的是，團隊的實驗發現，水和酒精的混合液體在ALIS功能表面上，會因酒精的濃度不同而有不同的流向。酒精含量低於 10% 的液體，會逆鋸齒傾斜的方向向後倒流；含有 40% 以上酒精的液體則會順著鋸齒傾斜的方向流動；而含有 10% 至 40% 酒精的液體更發生雙向流動。
液體在ALIS功能表面上，作環狀的流動。
調整表面張力而控制液體流向
團隊還發現，三維毛細鋸齒的傾斜方向，可以促進或抑制液體傳輸。當團隊將ALIS仿生表面垂直插入裝有酒精的器皿中，並保持鋸齒尖端朝上傾斜時，酒精的毛細上升量（capillary rise）顯得更高和更快；反過來，如果保持鋸齒尖端朝下，毛細上升量則較低也更慢。
團隊的發現可為智能引導液體傳輸提供一個有效的策略，並為由結構誘導的液體傳輸和新興應用開辟新的途徑，例如新型流控技術設計、可應用於電子或電腦零件散熱的強化傳熱、智能液體分類等。
王教授總結道：「我們的新型液體定向傳輸技術有多種優勢，例如能夠在可控、無需借助外力的情況下，作快速兼遠距離的傳輸，而且ALIS功能表面並不牽涉復雜的微/納米結構，易於制作。」
王鑽開教授是這篇論文的通訊作者。曾獲王教授擔任博士後導師、現為大連理工大學（DUT）副教授的馮詩樂博士，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學系的副教授姚希博士、來自MNE的鄭煥璽博士和李加乾博士（現為香港大學的博士後）、來自DUT的劉亞華教授、詹海洋、陳琛以及香港大學的王立秋教授。
是次研究獲得香港研究資助局、香港創新及科技基金、深圳市科技創新委員會、騰訊基金會、國家自然科學基金會、中央高校基本科研業務費專項資金，以及星海人才培育計劃的資助進行。
DOI number: 10.1126/science.abg7552