香港城市大學Science：液體自主選擇自己的命運！
水往低處流，似乎是亙古以來不變的真理。然而，不甘平庸的小液滴，也希望有一天能夠自主選擇自己的命運。王鉆開課題組 Nature Physics 2014王鉆開課題組 Science Advances 2020王鉆開課題組Science Advances 2017在香港城市大學王鉆開教授的世界里，似乎總是要挑戰傳統，賦予液體各種各樣的權利。自1804年Thomas Young[5]首次提出表/界面科學潤濕性基礎理論以來，研究者普遍認為，液體在固體表面的自發運動趨向于從能量高向能量降低的方向運動，其運動方向主要由材料表面結構決定而與液體本征性質無關。能否打破傳統認知，在不改變表面結構和無能量輸入的前提下，實現液體運動方向的自主選擇，在基礎研究領域尚未被解答。直到有一天，王鉆開教授研究團隊發現了一個反常而又有趣現象：在一種叫做南洋杉的葉片上，酒精沿葉片傾向的方向流動，而水沿著完全相反的方向流動！有鑒于此，香港城市大學王鉆開教授及其合作者受南洋杉葉片多曲率結構特征及液體自主擇向現象啟發，設計與制備了一種亞毫米級3D毛細鋸齒結構表面，建立非對稱3D固/液界面交互作用，操控不同表面張力液體在固體結構表面的鋪展模式，實現快速、長程、自主擇向的流體操控，為流體操控的廣泛應用提供了新的思路[6]。大連理工大學馮詩樂副教授和香港城市大學朱平安助理教授為本論文共同第一作者。【文末附有研究團隊專訪】1. 發現了一種亞毫米級3D毛細鋸齒結構誘導的液體自主擇向現象。2. 建立非對稱3D固/液界面交互作用，調控不同表面張力液體的鋪展模式和輸運方向，實現自主擇向、快速、長程的流體輸運。2. 回答亞毫米級3D毛細鋸齒結構誘導液體自主擇向的基本原理。 圖1. 亞毫米級3D毛細鋸齒結構特征及液體自主擇向，紅色為低表面能液體，綠色為高表面能液體。研究團隊發現，自然界南洋杉葉片由周期性排列的具有橫向和縱向曲率的雙重懸臂結構的鋸齒組成（圖2A-C）。在該結構上，酒精沿著結構傾斜的方向輸運，這與傳統傾斜結構表面液體的輸運方向相同；而水沿著與結構傾斜方向相反的方向輸運，這與傳統認知背道而馳（圖2D, E）。研究者模仿自然界南洋杉葉片結構特征，利用高精度3D打印技術，設計并制備仿南洋杉3D毛細鋸齒結構表面，該表面由周期性排列的具有橫向和縱向曲率的雙重懸臂結構的鋸齒組成，其結構尺度在亞毫米級，與液體毛細長度相當。當液體持續注入表面上時，低表面能液體沿著結構傾斜的方向運動，高表面能液體沿著與結構傾向相反的方向運動，兩種模式相互轉變時的臨界接觸角為42±5°。這種液體自主擇向現象在油水分離和微電路器件中有著潛在應用。 圖3. 仿南洋杉3D毛細鋸齒結構特征及液體自主擇向。研究者通過觀察亞毫米級3D毛細鋸齒結構固/液界面形態變化規律，揭示其誘導液體自主擇向機理，研究發現，低表面能液體固/液界面展現自下而上的鋪展模式，而高表面能液體展現自上而下的鋪展模式。3D毛細鋸齒結構的亞毫米尺度和雙重懸臂結構特征，能夠調控以上兩個臨界條件的閾值，進而調控液體的鋪展模式和輸運方向，實現液體的自主擇向。圖4. 亞毫米級3D毛細鋸齒結構固/液界面形態及液體自主擇向機理。
液體自主擇向可用于調控毛細升效應。當3D毛細鋸齒結構傾斜向上插入液體時，毛細升現象被顯著增強，而當其傾斜向下插入液體時，毛細升現象被有效抑制。并且，研究者比較具有不同材料和結構表面的毛細升現象，發現3D毛細鋸齒結構表面即使在沒有任何納米結構的前提下，依然實現速度最快、高度最大的毛細升現象。這在需要促進毛細升的領域如紡織染色、噴墨打印、海水淡化等，和需要抑制毛細升的領域如防腐、微生物傳播等有著廣闊的應用前景。圖5. 亞毫米級3D毛細鋸齒結構表面毛細升效應的促進和抑制固/液界面相互作用廣泛存在于自然系統和實際工程領域，親水表面液體快速鋪展[7]和疏水表面上的液體快速彈跳[1]是固/液界面相互作用的典型。其中，親水表面液體鋪展速度、方向的控制在冷凝換熱、界面減阻、噴墨打印等領域有著廣泛的應用。疏水表面液體彈跳速度、時間的調控在自清潔、防污、防腐、抗結冰、能源收集等領域應用廣泛[4]。研究者受自然界南洋杉結構和液體輸運性能啟發，設計并制備亞毫米級3D毛細鋸齒結構表面，揭示了非對稱3D固/液界面形態變化規律，闡明了其實現液體自主擇向的機理。將液體自主擇向應用于毛細升現象的促進和抑制，并且在沒有任何納米結構的前提下實現快速和長程的毛細升現象。以上研究為拓展流體操控的應用范圍提供了理論支撐。本論文合作者包括香港城市大學機械工程系鄭煥璽、李加乾，大連理工大學機械工程學院詹海洋、陳琛、劉亞華教授，香港城市大學生物醫學科學系姚希副教授和香港大學機械工程系王立秋教授。1. 納米人編輯部：這項研究是無意中發現，還是特意設計的結構？王鉆開教授：如何在無外部能量輸入的情況下讓液體自主選擇鋪展方向這一科學問題一直在我的腦海里浮現，然而如何設計實現它來實現它卻困惑著我。盡管我們前期也做出了一系列關于流體二極管的色的工作，但一直沒有找到突破讓不同的液體在同一表面上選擇不同鋪展方向的拓撲結構。幸運的是，第一作者在香港海洋公園旅游時發現了南洋杉葉片的獨特三維結構（實際上香港到處都有南洋杉，我們的校園后面就有）。進一步研究發現，水和酒精在葉片上運動方向相反。可以說這一無意的發現，給與我們的研究最大的啟迪。 2. 納米人編輯部：和之前其他的“水往高處走”等液體定向運輸的研究相比，這項研究最值得關注的新發現或者創新點是什么？王鉆開教授：以往的液體定向運輸研究中，在無外部能量輸入的情況下，流體的輸運方向是明確的，并不會因為流體性質的改變而變化。比如傾斜的陣列結構表面，水和酒精都能發生單向運動，但是其運動方向是相同的。我們工作的創新點有三個方面：1：全新的現象。我們受南洋杉葉片周期性排列的具有橫向和縱向曲率的雙重懸臂結構啟發，設計并制備亞毫米級3D毛細鋸齒結構表面。該表面通過建立一種全新的非對稱3D固/液界面交互作用，調控不同表面張力液體的鋪展模式和輸運方向，實現了自主擇向、快速、長程的流體輸運。我要強調的是，我們的結構的特征尺寸在亞毫米，盡管沒有微納結構，但是液體的毛細升速度非常快。2：全新的機理。以往的液體浸潤性和鋪展都是2維的，在一個平面上。由于我們獨特的結構，低表面能液滴展現三維空間的自下而上的鋪展模式，而高表面能液體展現三維空間的自上而下的鋪展模式，加上獨特的頂端蘑菇頭的結構，最終導致了液體的自主擇向。相信這個工作應該會開辟三維浸潤的這一全新的研究方向。3：觀念的創新。我們的常規思維是“There's plenty of room at the bottom. ”以往絕大多數工作都是基于精細的微納結構，然而我們反其道而行之，發現亞毫米尺度也有美的現象。這一點有點雷同于我們去年Nature的工作，不依賴精細的微納結構，也可以實現美妙的宏觀現象。3. 納米人編輯部：這項研究中，遇到過最大的困難是什么？如何解決的？王鉆開教授：在該研究中，最大的困難是明確流體自主擇向與表面結構特征的關聯并揭示流體自主擇向的機理。我們通過高倍數的高速攝像技術，反復的觀察流體運動過程中三相接觸線的變化規律，并對比其與以往研究的區別，發現了一種全新的非對稱3D固/液界面交互作用，這導致低表面能液滴展現三維空間的自下而上的鋪展模式，而高表面能液體展現三維空間的自上而下的鋪展模式。進一步，我們通過力學分析，揭示了橫向和縱向曲率的雙重懸臂結構特征對三向接觸線處的動力和阻力的影響規律，從根本上揭示了亞毫米級3D毛細鋸齒結構誘導流體自主擇向的機理。[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.馮詩樂，大連理工大學機械工程學院副教授，大連理工大學“星海優青”，大連市新引進高層次人才。2017年7月在北京航空航天大學獲得工學博士學位，導師是鄭詠梅教授和侯永平副教授，2017年9月在香港城市大學從事博士后研究，合作導師是王鉆開教授。2019年9月進入大連理工大學機械工程學院工作。主要致力于仿生功能表面結構設計、浸潤性理論調控及應用基礎研究。在Science，Sci. Adv.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Chem. Mater.，J. Mater. Chem. A等國際高水平期刊上發表論文30余篇，授權國家發明專利2項。朱平安，香港城市大學機械工程系助理教授。2013年本科畢業于中國科學技術大學安全科學與工程系，2017年于香港大學機械工程系獲得博士學位，此后在香港大學、哈佛大學從事博士后研究，2020年底入職香港城市大學，成立界面和流體實驗室（https://pinganzhu.wixsite.com/mecityu），主要研究方向包括微流控和仿生系統。曾獲得香港大學機械工程系優秀論文獎，TechConnect全球創新獎，香港青年科學家獎工程領域提名。王鉆開，香港城市大學機械工程系講座教授。2000年畢業于吉林大學并獲機械工程學士學位，2003年在中國科學院上海微系統與信息技術研究所，獲微電子學碩士學位，2008年獲美國倫斯勒理工大學機械工程博士學位，2009年在哥倫比亞大學進行博士后研究后入職香港城市大學。為香港青年科學院創始成員，國際仿生學會Fellow, 工學院副院長。曾獲得科學探索獎，國際仿生學會杰出青年獎，國際文化理事會青年特別嘉獎，上銀優秀博士論文指導教師獎（2016優秀獎，2019年銀獎），香港城市大學杰出研究獎和校長獎。在Nature, Science， Nature Physics, Nature Materials等雜志上發表論文160余篇。
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