滴酒不沾的公道杯
明朝时期，我国发明了一种瓷制酒杯。此杯内部有一条水位线，当杯内液体低于水位线时，这是一个正常的容器；高于水位线时，杯内的液体会通过虹吸效应从杯底漏光（图1）。洪武皇帝把这个杯子命名为公道杯，寓意知足水存、贪心水尽。在古希腊，毕达哥拉斯发明了与之类似的杯子，用于约束嗜酒者适度饮酒。
图1公道杯虹吸效应
如今，虹吸效应已经广泛应用于人们的生活，如我们日常使用的意式咖啡壶、洗手池、马桶等。尤其是在利用虹吸效应给鱼缸换水时，我们通常需要先在管内加满水，再将其插入缸中；或者对着水管猛嘬一口来实现水的填充。我们似乎已经对这些操作习以为常，但如果能实现自虹吸效应，那么就能轻松解决很多管道流体输送的难题。
近日，中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室董智超团队在液体自虹吸领域取得了新进展。这一年轻的研究团队始终着眼于用仿生方式解决生产生活和工程技术中的难题，相继发明和改进了多种日用品，如制作了超疏水的鞋子，用于防止雨天走路时的泥水迸溅(Adv. Mater. 2015, 27, 1745)；发明了超疏水移液枪头，用于解决转移微量液体时因液体残留造成的转移量不精准的问题(ACS Nano 2013, 10, 10371)。
最近，董智超团队受到水滴在猪笼草口缘表面连续自发定向输运现象的启发，以3D打印技术仿生制备了猪笼草口缘结构，成功地利用基底表面能的释放实现了水的逆重力定向爬升(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 14988；Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 13623)。研究过程中，他们惊喜地发现仿生猪笼草结构表面阵列化的倾斜微坑能够牢牢束缚一层水膜。这层水膜的存在降低了液体输运过程中的粘滞阻力，使后续液体的输运速度可以提升两个数量级。根据这一特性，该团队成功地仿生制备了一种内壁具有猪笼草结构的管道。管内壁的猪笼草结构能够有效束缚自发爬升的水膜，并将这层水膜作为润滑层以降低液体在毛细上升时的粘滞阻力，同时将毛细管内壁的浸润性由亲水转变为超亲水，大幅提升水在管道内的毛细上升高度与速度，为实现液体的自虹吸效应打下坚实基础。
自虹吸猪笼草管道不像公道杯一样需要将杯具或管道预先充满水来触发虹吸效应。只需将其弯曲成拐杖形并放置在杯子侧壁上，少量的水就能在增强的毛细上升作用下自发充满整个管道，然后从另一端流出。这种依靠内壁结构增强毛细作用实现的管道自虹吸效应无需外部能量输入便能进行高通量、跨重力势垒的液体连续输运。该研究将激励新一代无泵微流体装置的发展。
相关研究成果发表在美国科学院院刊（PNAS）上，论文标题为Bioinspired inner-microstructured tube-controlled capillary rise。论文第一作者为中科院理化所李储鑫博士，通讯作者为中科院理化所董智超助理研究员。相关工作得到国家自然科学基金委员会(21703270)的大力支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.1821493116
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