流體可控輸運廣泛存在于各種自然系統(tǒng)和實際工程中至關重要，在微流控應用領域、冷凝換熱、抗結(jié)冰和界面減阻等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景實施體系。自從表/界面科學(xué)潤濕性基礎(chǔ)理論建立以來組建，國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，液體傾向于自發(fā)向系統(tǒng)能量降低的方向運動效果較好，其運動方向主要取決于表面結(jié)構(gòu)特征和化學(xué)組成帶動擴大，與液體的性質(zhì)無關(guān)。然而開拓創新，液體能否決定其命運持續發展，在不改變表面結(jié)構(gòu)和無能量輸入的前提下實現(xiàn)運動方向的自主選擇是長期以來困擾學(xué)者們的科學(xué)難題。近日促進善治，香港城市大學(xué)王鉆開教授及其合作者借鑒南洋杉葉片多重懸臂結(jié)構(gòu)特征擴大，制備了仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面，通過建立3D固/液界面交互作用發揮效力，實現(xiàn)流體運動方向的自主選擇新格局。該研究以“3D capillary ratchet-induced liquid directional steering”為題發(fā)表在國際期刊Science上明顯。大連理工大學(xué)馮詩樂副教授和香港城市大學(xué)朱平安助理教授為該論文共同第一作者，香港城市大學(xué)王鉆開教授為該論文通訊作者顯示。

圖1 南洋杉葉片及其仿生表面多懸臂結(jié)構(gòu)特征創新為先。A 南洋杉葉片表面雙重曲率結(jié)構(gòu)特征，包括橫向和縱向曲率科普活動。B仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面雙重懸臂結(jié)構(gòu)特征創新延展，單個鋸齒厚度80 μm。

要點：研究者借鑒南洋杉葉片結(jié)構(gòu)特征長期間，使用PμSL 3D打印技術(shù)（nanoArch® S140基本情況，摩方精密），設(shè)計并制備了由平行排列的具有橫向和縱向曲率的雙重懸臂結(jié)構(gòu)的鋸齒陣列組成的仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面綠色化發展、具有對稱垂直平面葉片結(jié)構(gòu)的表面至關重要、具有傾斜平面葉片結(jié)構(gòu)的表面和具有平行溝槽結(jié)構(gòu)的表面。3D打印技術(shù)所使用樹脂為丙烯酸光敏樹脂用上了，固化紫外光波長為405 nm提升行動，能量密度、曝光時間關註、曝光分辨率研究進展、打印層厚分別30 mW/cm²，1 s連日來，10 μm快速融入，10 μm。葉片間距p為750 μm系統，列間距w為1000 μm增強，葉片傾斜角度為15 – 90°，縱向和橫向的曲率半徑R1和R2分別為~400 μm和~650 μm適應能力。

圖2南洋杉葉片及仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面流體輸運性能更優美。A酒精（紅色）和水（藍(lán)色）在南洋杉葉片上的運動行為。其中防控，酒精沿著鋸齒結(jié)構(gòu)傾斜的方向運動成效與經驗，而水沿著相反的方向運動。B低表面能液體和高表面能液體在仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面運動行為堅實基礎。

要點：研究者發(fā)現(xiàn)稍有不慎，乙醇沿著南洋杉葉片表面鋸齒結(jié)構(gòu)傾斜的方向運動，而水沿著反方向運動等地，這種通過調(diào)控液體性質(zhì)來控制其輸運方向的現(xiàn)象尚未報道最為顯著。受此啟發(fā)，研究者研究了不同表面張力流體在仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面的輸運性能。研究表明穩定，該仿生功能表面展現(xiàn)出和南洋杉葉片相似的流體擇向性能：低表面能流體沿著鋸齒結(jié)構(gòu)傾斜的方向運動改造層面，而高表面能流體沿著與鋸齒結(jié)構(gòu)傾斜相反的方向的運動供給。即使在長程輸運和圓形表面上優勢與挑戰，流體依然保持良好的單向輸運性能。

圖3 仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面流體自主擇向機(jī)理解決方案。A/B低表面能液體和高表面能液體在仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面的鋪展行為趨勢。C橫向曲率結(jié)構(gòu)懸臂效應(yīng)力學(xué)分析模型。D流體打破結(jié)構(gòu)扎釘效應(yīng)的臨界狀態(tài)上高質量。E縱向曲率結(jié)構(gòu)懸臂效應(yīng)力學(xué)分析模型一站式服務。F流體自主擇向現(xiàn)象和表面結(jié)構(gòu)及流體表面張力的關(guān)系。

要點：研究者觀察發(fā)現(xiàn)深入交流，液體在仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面鋪展過程中引領作用，低表面能液體固/液界面展現(xiàn)自下而上的鋪展模式，而高表面能液體展現(xiàn)自上而下的鋪展模式臺上與臺下。實際上用的舒心，流體沿著特定方向的自發(fā)鋪展需要滿足兩個臨界條件：第一。流體能接觸到相鄰的鋸齒結(jié)構(gòu)集聚效應；第二集成，流體前端受到的驅(qū)動力足夠克服結(jié)構(gòu)的扎釘效應(yīng)。3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)的亞毫米尺度雙重懸臂結(jié)構(gòu)特征互動講，能夠調(diào)控不同表面張力流體兩個臨界條件的閾值穩定性，建立3D空間上非對稱固/液界面相互作用，進(jìn)而選擇流體的鋪展模式和鋪展方向講故事，實現(xiàn)液體運動方向的有效控制非常完善。這是仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面流體自主擇向的本質(zhì)。

該論文合作者包括香港城市大學(xué)機(jī)械工程系鄭煥璽全面革新、李加乾作用，大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院詹海洋、陳琛線上線下、劉亞華教授發揮重要作用，香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)科學(xué)系姚希副教授和香港大學(xué)機(jī)械工程系王立秋教授。

作者：馮詩樂

論文鏈接: https://www.science數據顯示。高質量。ｏｒｇ/doi/10.1126/science.abg7552