水往高处流！电子科大/香港城大Nat. Mater.展示液体超长距离，超快，自驱动，无损失传输

▲第一作者：孙强强；通讯作者：邓旭，王钻开，Hans-Juergen Butt；

论文DOI：10.1038/s41563-019-0440-2

背景介绍

“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

本文速览

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。

图文解析

▲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)

作者简介

邓旭，电子科技大学基础与前沿研究院教授。2015 年获得青年千人计划支持。马普中德联合界面材料伙伴小组组长。主要从事胶体界面、物理化学、仿生材料等相关研究。承担国际合作专项、国家自然科学基金项目多项，申请欧洲国家发明专利 3 项，美国发明专利 2 项。研究成果在 Science, Nature Materials, PNAS, Nature communication, Physical Review Letter 等国际著名杂志发表文章 40 余篇。他的科研成果被 Nature Nanotechnology，Nature Physics，MIT Technology Review 等多次作为专题报道。 

王钻开,香港城市大学机械工程系教授，主要研究领域为仿生机械，表界面热流科学和软物质。通过调控表界面拓扑结构，他提出饼状弹跳，拓扑流体二极管，和水下可逆黏附等一系列原创性概念。已在Nature Physics（2 篇），Nature Materials, Nature Communications（4 篇），Science, Science Advances （2 篇）, National Science Review (2 篇), Physical Review Letters (2 篇)等杂志上发表多篇高水平论文。他的科研成果在Nature，Nature News，Nature Physics News &Views，New York Times等多次作为专题和封面报道，并入选吉尼斯世界纪录。荣获 MRS 银奖（2007），教育部长江学者讲座教授（2016），国际仿生工程学会杰出青年奖（2016），上银优秀博士论文奖指导导师奖（2016），香港城市大学杰出研究奖（2017），香港城市大学校长Lectureship（2018），香港青年科学院青年院士（2018），国际文化理事会青年特别嘉奖（2018），国际仿生学会 Fellow（2019）。王钻开教授指导的多个博士生获得香港青年科学家奖（2015），MRS 银奖（2015），MRS 金奖（2016），国家青年千人计划，香港城市大学最佳博士论文奖（2018）。

Hans-Juergen Butt 教授，德国马普高分子研究所所长，长期从事界面结构与动力学方面的研究，迄今已于Science，Nature, Nature physics ,PRL 等各类顶尖期刊发表论文 400 余篇。海森堡基金及 ERC Advanced 基金获得者。曾任德国胶体协会主席，现担任国际胶体与界面协会主席。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0440-2

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