水往高处流：电子科大邓旭/香港城大王钻开/德国MPI Hans-Jürgen Butt 实现液体超长距离，超快，自驱动，无损传输
文章来源：研之成理 作者：孙强强
“水往低处流”是自然界的普遍现象，这是由于受到重力的作用，使水的重力势能转化为动能而向下运动。在极度超亲水的表面上，在毛细作用下液滴可以自下而上定向自发传输,产生类似于电子二极管的流体二极管行为[参考文献1]。然而许多工程应用都要涉及到类似荷叶的超疏水的表面,在这样的表面上液滴呈现球状,水与固体表面有着非常小的接触面积[参考文献2]。
为了实现在疏水表面上自发定向输运,传统的做法是依赖化学或者结构梯度,从而使液滴产生不对称的驱动力，以克服三相接触线钉扎产生的阻力。然而,现有的办法都不可避免的存在传输速度慢或者传输距离短的缺点。尽管借助温度场让液滴维持在莱登夫洛施特（Leidenfrost）状态从而实现液滴的快速运动[参考文献3],但是额外的高温给实际应用带来一定的局限性。如何实现常温环境下液滴的自发,快速和定向传输,甚至能克服重力从下往高处运动,是个悬而未决的挑战。
水往低处流的自然现象。图片来源：BestAnimations
近日，电子科技大学邓旭教授与香港城市大学王钻开教授、德国马克斯-普朗克高分子研究所的 Hans-Jürgen Butt 教授合作，实现了在不依靠外部能量供给情况下液滴的快速长距离自驱动传输，液滴甚至能从超疏水表面下端垂直向上迅速爬升。相关论文发表在 Nature materials 上，第一作者为电子科技大学基础与前沿研究院博士生孙强强，合作单位还有中国科学技术大学。
由可印刷的表面电荷密度梯度介导的液滴输运. 图片来源：参考文献[4]
水滴反重力垂直向上传输。图片来源：参考文献[4]
水滴反重力悬挂传输。图片来源：参考文献[4]
该论文第一次引入电荷梯度的概念，即表面电荷密度梯度 (SCD gradient)，通过控制撞击高度的连续变化，打印出具有表面电荷密度梯度的特定路径，进而引导水滴的自推进，成功地实现了液滴的快速、长程、无损失传输。这种室温下类似莱登夫洛施特（Leidenfrost）的传输能以高达 1.1 m/s 的速度自推进，传输距离理论上无限制。基于这种表面电荷密度梯度介导的液滴运输，研究人员展示了以水滴作为轮子的小车沿带电路径自推进的过程 (Cargo device)。同时，还发展了基于表面电荷打印方法的无枪头式移液枪(Tipless pipette)，可用于低表面能和高粘度液滴的无损失转移。
自推进机理和性能对比。图片来源：参考文献[4]
弧线及无限制传输。图片来源：参考文献[3]
以电荷梯度路径为轨道，水滴为轮子的载物装置。图片来源：参考文献[4]
无枪头式移液枪的设计应用。图片来源：参考文献[4]
本文提出的固液界面接触分离后的滞留电荷，对流体动力学的影响是显而易见的，因为在固液界面的动力学作用中，浸润和带电现象往往是同时存在的。打印表面电荷的方法使我们能够开发新的传感和驱动系统，包括芯片实验室、微流体器件和生物液滴分析装置。液滴打印表面电荷在其他众多领域还具有重要的应用和理论价值，如纳米自组装、影印及静电电化学等领域，同时这有助于加深对接触带电机理的理解。在设计其他多功能表面时，这种疏水表面的电荷效应，也是值得被关注的。
参考文献
[1] Jiaqian Li, Xiaofeng Zhou, Jing Li, Lufeng Che, Jun Yao, Glen McHale, Manoj Chaudhury, Zuankai Wang. Topological liquid diode. Science Advances, 3, eaao3530 (2017)
[2] Xu Deng, Lena Mammen, Hans-Jürgen Butt, Doris Vollmer. Candle soot as a template for a transparent robust superamphiphobic coating. Science, 335, 67-70. (2012)
[3] Jing Li, Youmin Hou, Yahua Liu, Chonglei Hao, Minfei Li, Manoj Chaudhury, Shuhuai Yao, Zuankai Wang. Directional transport of high-temperature Janus droplet mediated by structural topography. Nature Physics, 12, 606-612 (2016)
[4] Qiangqiang Sun, Dehui Wang, Yanan Li, Jiahui Zhang, Shuji Ye，Jiaxi Cui, Longquan Chen, Zuankai Wang, Hans-Jürgen Butt, Doris Vollmer, Xu Deng. Printing surface charge as a new paradigm to program droplet transport. Nature materials (2019) (DOI: 10.1038/s41563-019-0440-2)
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0440-2
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