The Innovation | 非对称梯度表面驱动液体定向传输：原理、设计和应用

导 读

通过对材料表面化学、物理和微观形貌梯度的设计，可实现液滴的定向被动输运。本文全面回顾在梯度材料表面和非对称Janus膜上的液滴自输运特性等相关方向的研究，聚焦于理论驱动机制和材料构筑策略，综述其在集水与分离、微流体控制与生物医学等多领域的应用进展，如图1所示。同时，本文对未来液滴自输运在理论创新、制备技术和应用需求推动下的发展前景与挑战提出展望。

图1 梯度表面驱动液滴自输运特性

仿生“液体二极管”材料

液滴可控传输在众多领域具有重要科学价值。在自然界中，许多生物表面具有定向输运水滴的能力。如图2所示，蜘蛛丝、蝴蝶翅膀、猪笼草口缘、南洋杉叶片等生物表面可以捕获空气或雾气中的小水滴并实现定向输运和收集。这种独特而有趣的液滴操控行为（如液滴收集、方向性滚动、定向输运和不对称铺展等），为设计功能材料用于驱动液体自输运提供了借鉴与灵感。我们知道，材料的组成和结构决定了材料的性能。研究发现，生物体能够驱动水滴实现特定方向上自传输的秘密，即在于其表面独特的化学组成和微/纳米尺度上规则排列的形貌结构特征。这些近乎完美的设计，促使生物表面在二者协同产生的非对称作用力下，驱动液体在没有外部能量输入的情况下，自发地实现一定距离特定方向的输运。通过仿生自然界这些奇妙的现象，科研工作者们开发了材料化学、物理及形貌梯度诱导的可控液体自输运途径，液体被允许自发地从材料一端（侧）向另一端（侧）输送，而在反方向被阻止。该类材料因独特的液体门控能力，被称为“液体二极管”。根据液体传输方向的差别，本文介绍了液体沿二维膜表面的平面传输（2D）和垂直膜厚方向的跨膜传输（3D）的研究进展。目前，相关领域的研究推动了液体可控传输在异质界面体系的创新发展和应用，有望在液滴收集与输送、液体分离、微流控、功能织物和伤口敷料等多个领域发挥作用。

图2 自然界生物表面液滴定向自输运

液体各向异性传输机制

液滴的表面润湿机制和运动行为主要受到异质成分和形貌的影响，其制备手段和驱动机制涉及到化学、材料、物理、机械等多个领域。本文根据液滴受不对称表面梯度力驱动产生方向性自输运的理论机制，将其归纳为三类：化学梯度、结构梯度和曲率梯度，三种驱动机制还可根据不同的构筑策略进行细分（图3）。在化学梯度理论机制中，液滴在表面自由能梯度表面上，受化学润湿梯度引起的驱动力被诱导从较低表面能（接触角较大）区域定向移动到较高表面能（接触角较小）的区域。图3A-C展示了液滴在非对称表面能基底上气/固/液三相线变化、液滴自发移动的结果，甚至可以驱动液滴克服重力由疏水区向亲水区自下而上传输。结构梯度理论机制认为液滴在不同粗糙度表面，由于接触线的不对称性，液滴从粗糙度较低的区域向粗糙度较高的区域定向移动。此外，微/纳米阵列的偏转角、高度、间距、所处状态等都会影响液滴的方向性传输（图3D-F）。曲率梯度驱动机制表明液滴在具有曲率的表面上因两侧受到的拉普拉斯压力不同，产生拉普拉斯压力差，进而驱动液滴发生方向性传输。根据非对称力作用结果，在凸曲率表面，液滴从大曲率（顶端）一侧向小曲率（底部）一侧移动（图3G, H）；而在凹曲率表面根据固液界面浸润性情况，液滴分别向靠近凹角方向（亲液内表面，图3I）和远离凹角方向（疏液内表面，图3J）移动。此外，固液两相接触面积增大导致的总表面自由能释放可以驱动液滴传输。

图3 滴定向自输运驱动机制：化学梯度、结构梯度和曲率梯度

总结与展望

液滴自输运的相关研究在多个领域展示出广泛的应用前景。材料表面化学、粗糙度、曲率梯度的构筑为液滴自输运提供了可控驱动策略，相关研究在近年来取得了长足的进步和发展。目前，如何将液体自输运的特性优化仍有待科学家们进一步探索，这不仅需要相关领域学者们的努力，更需要仿生学、理论创新、智能技术等多个学科的协同发展；此外，场景适应的计算模拟和预测有望加快赋能。未来将实现更简便制造、可编程、更快速响应和长距离的液体自输运，提高此类材料应用性能和使用寿命，便于更好地发挥其应用价值。

责任编辑

徐   艺    香港大学

王天帅    西北工业大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00136-4

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第六期以Review发表的“Designing of anisotropic gradient surfaces for directional liquid transport: Fundamentals, construction, and applications” (投稿: 2023-06-06；接收: 2023-09-01；在线刊出: 2023-09-04)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100508

引用格式：Hou L., Liu X., Ge X., et al. (2023). Designing of anisotropic gradient surfaces for directional liquid transport: Fundamentals, construction, and applications. The Innovation. 4(6), 100508.

作者简介

侯兰兰，现任北京印刷学院讲师。北京航空航天大学工学博士，北京航空航天大学博士后。主要研究方向为仿生超浸润功能微纳米纤维材料的制备及其在液体分离、单向透过、界面蒸发领域的应用研究。以第一作者在ACS Energy Lett.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、NPG Asia Mater.等学术期刊发表SCI论文6篇，授权中国发明专利2项。主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后基金面上项目一等资助、中国博士后国际交流项目。

王 女，北京航空航天大学副教授，博士生导师。主要研究方向为仿生功能性微纳米纤维材料的制备及结构分析；有机/无机多级结构微纳米纤维材料的电纺制备及性质研究。在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、Adv. Sci.、Carbon Energy、ACS Energy Lett.等学术期刊发表论文50余篇，授权国家发明专利10余项。主持国家自然科学基金青年项目，国家自然科学基金面上项目，北京市自然科学基金面上项目等，参与973，863等项目。2009年获北航“蓝天新秀”称号，2011年，2015年获“唯实”青年人才培育基金。

赵 勇，北京航空航天大学教授，博士生导师。主要研究方向仿生多尺度结构微纳米纤维材料制备及其在超浸润界面、能源与催化领域的应用研究。在Nature、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、PNAS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Matter、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.等期刊发表SCI论文130余篇。研究工作被Nature评述报道，入选Elsevier 2021、2022年度“中国高被引学者”。教育部新世纪优秀人才计划，中组部万人计划“青年拔尖”人才计划。主持和参与国家自然科学基金优秀青年科学基金、国家自然科学基金面上项目、国家重大科学仪器开发专项和国防项目、国家自然科学基金重点项目、863、973等项目。担任中国化学会仿生材料化学专业委员会委员，中国复材学会超细纤维复材分会副主任委员，中国复材学会微纳米复材分会常务委员，中国海洋学会海水淡化与水再利用分会青年专家委员会委员，中国研究型医院学会运动医学专业委员会委员等。

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