第一作者单位：香港城市大学，大连理工大学
通讯作者：王钻开
通讯单位：香港城市大学
论文DOI：10.1126/science.abg7552
近日香港城市大学王钻开教授及其合作者在仿生功能表面流体操控领域取得突破性进展。该研究成果以“3D capillary ratchet-induced liquid directional steering”为题发表在国际顶级期刊《Science》上，首次报道了一种亚毫米级3D毛细锯齿结构诱导的流体自主择向。该结构通过建立非对称3D固/液界面交互作用，调控不同表面张力流体的铺展模式和输运方向，实现自主择向、快速、长程的流体输运，为流体操控的广泛应用开辟了新的途径。该论文被Science News highlight，同时也被十多家国内外媒体所报道。固/液界面相互作用广泛存在于各种实际工程领域，如微流控、微反应器、水收集及冷凝换热等。自1804年Thomas Young首次提出表/界面科学润湿性基础理论以来，研究者就亲水表面流体快速铺展和疏水表面的流体弹跳开展了大量的研究，普遍认为流体趋向于向能量降低的方向运动，其运动方向主要由表面结构决定而与其本征性质无关。例如，流体倾向于在润湿性梯度产生的非对称驱动力作用下从高表面能区域向低表面能区域运动、在拉普拉斯压力的作用下从高曲率区域向低曲率区域运动、在各向异性结构上流体铺展动态差异的作用下从高流体扎钉区域向低流体扎钉区域运动。然而，在同一材料表面上，流体能否改变自己的命运来自主决定其运动方向的科学难题尚未被解答。研究者首次发现自然界中南洋杉叶片表面流体自主择向：低表面能流体沿着叶片倾斜的方向运动，而高表面能流体沿着反方向运动。进一步研究发现，南洋杉叶片由具有横向和纵向曲率的双重悬臂结构的锯齿周期性排列组成，区别于传统微米结构表面仅能诱发2D固/液界面作用，南洋杉叶片结构表面及仿南洋杉结构功能表面（ALIS）能够诱发非对称3D固/液界面交互作用，调控不同表面张力流体的铺展模式，实现同一表面上流体的自主择向。同时，ALIS能够显著促进或抑制毛细升现象，且在没有任何纳米结构的前提下实现快速和长程的毛细升效应。该研究成果获得了审稿人的高度肯定。审稿人一评价道：“This work is high quality and the only question is whether it is sufficiently ground breaking and of wide interest for Science. My view is that the answer is yes. This study is certainly likely to open up many new avenues for research and inspire many others to adapt and extend the key ideas for both more fundamental research and for applications. （这是一项高质量的工作，唯一的疑问是它是否具有充分的开创性和广泛的兴趣，使其发表在《科学》上，我的看法是肯定的。这项研究必将开辟许多全新的研究方向，并启发科研人员在基础和应用研究领域探索出更多延伸性工作。）”。审稿人二评价道：“The results are quite unique, and unlike any other papers forming the huge body of results published in the field of textured and directional wettability.（该研究结果非常独特，区别于定向润湿领域以往发表的其他论文成果）”。南洋杉叶片由具有横向和纵向曲率的双重悬臂结构锯齿周期性排列组成（图1A-C）。该表面可以实现乙醇沿着锯齿结构倾斜的方向运动，而水沿着反方向铺展的液体自主择向现象（图1D-E）。其中，沿着叶片倾斜的方向被定义为正方向，反之定义为负方向。研究者通过混合不同比例的乙醇和水，制备不同表面张力的流体，探究表面张力和流体运动方向的关系。研究表明，当乙醇浓度c < 10 %时，流体沿正方向运动，当10% < c < 40%，，流体双向运动，当乙醇浓度c > 10 %时，流体沿负方向运动，如图1F所示。研究者受南洋杉叶片结构启发，通过高精度3D打印技术，设计并制备了仿南洋杉叶片结构功能表面（ALIS）。该表面由平行排列的具有横向和纵向曲率的双重悬臂结构的锯齿阵列组成，其结构尺度在亚毫米数量级（图2A-C），可以定义为3D毛细锯齿结构表面，其特征长度和流体毛细长度相当。该仿生功能表面展现出和南洋杉叶片相似的流体择向性能：c = 40 %的流体沿正方向运动，而c = 10 %的流体沿负方向运动，如图2D-F所示。进一步研究表明，不同表面张力的流体在ALIS上的接触角从~20°增加到~82°，其传输方向从正方向逐渐过渡到负方向，临界转变接触角为42 ± 5°，如图2G所示。并且，即使在逆重力的情况下，ALIS表面依然展现流体择向性能，如图2H所示。▲图2 仿南洋杉叶片结构功能表面上流体的自主择向。
▲视频2 仿南洋杉叶片结构功能表面上流体的自主择向。
研究者为了进一步揭示南洋杉叶片及ALIS上的流体自主择向机理，观测了接触角为32° 和60°的两种流体在ALIS上的固/液接触线变化规律（图3A-C）。首先，当流体填充满第一个结构空腔时，其运动行为被四个临界接触位点限制。对于接触角为32°的流体，其首先突破左下方的临界接触位点限制，并选择一种自下而上的铺展形式。随着流体的上升，一个新的铺展循环出现，实现了连续和长程的正向流体输运。对于接触角为60°的流体，其因左下方和右下方的铺展均被限制而产生一种自上而下的铺展形式，进而实现连续和长程的负向流体输运。研究者通过力学分析，揭示了流体如何自主选择铺展方向的本质，如图3C-E所示。对于图3A所示的自下而上的铺展情景，流体沿着特定方向的自发铺展需要两个条件。第一，流体能接触到相邻的锯齿结构；第二，流体前端受到的驱动力足够克服结构的扎钉效应。在ALIS上， 3D毛细锯齿结构的底面和侧面的固/液接触线处分别产生了促进流体铺展的动力和阻碍流体铺展的阻力。通过平衡左下方和右下方动力和阻力的关系，获得对应接触位点处流体突破结构扎钉效应的临界接触角。由于横向曲率结构的存在，左下方和右下方接触位点处的临界接触角存在显著差异，这为流体自主选择铺展方向奠定了基础。▲图3 仿南洋杉叶片结构功能表面上流体的自主择向机理分析。
综合以上分析，我们获得了流体沿正方向铺展的临界角度，解释了图3A中流体自下而上铺展并沿正向运动的现象。尽管以上分析能成功解释底面的扎钉效应，并预测流体的铺展方向，但无法解释3D毛细锯齿顶部的扎钉效应。实际上，当流体接触角大于左下方和右下方接触位点处的临界接触角时，由于锯齿顶部非对称的扎钉效应，流体展现出自上而下铺展并沿负方向运动的现象。为了解释这一现象，我们研究了纵向曲率结构的悬臂效应。研究表明，3D毛细锯齿顶部左上方的悬臂结构产生了一个垂直于表面向上的毛细力，促进流体进入结构间隙。然而，锯齿顶部右上方接触位点处由于不存在扎钉效应，产生了一个沿着结构倾斜向下的动力（图3E）。因此，纵向悬臂结构在3D毛细锯齿结构顶部产生了非对称作用力，导致流体自上而下铺展并沿着负方向运动。3D毛细锯齿结构纵向曲率和横向曲率的联合作用，产生了3D空间上非对称固/液界面相互作用，这是不同表面张力流体展现不同铺展形式和自主择向的根本原因。▲图4 仿南洋杉叶片结构功能表面上毛细升现象的促进和抑制。
▲视频3 南洋杉叶片结构功能表面上毛细升现象的促进和抑制。
流体自主择向可应用于促进纺织染色、喷墨打印、海水淡化等领域的流体输运，也可以用于抑制防腐、微生物传播等领域的毛细升现象。研究表明，具有对称垂直叶片结构的表面上的毛细升高度为~6 mm，而ALIS上毛细升现象被显著增强，达到~16 mm的高度。当把ALIS的叶片尖端朝下放置时，毛细升现象被显著抑制，如图4A-D所示。进一步，我们统计了不同结构和种类的材料表面上的毛细升现象，研究表明ALIS在没有任何纳米结构的前提下可实现速度最快、高度最大的毛细升现象。综上所示，具有3D毛细锯齿结构的ALIS上流体快速、长程、自主择向性能，为探索流体操控在未知领域的应用提供了思路。本论文合作者包括香港城市大学机械工程系郑焕玺、李加乾，大连理工大学机械工程学院詹海洋、陈琛、刘亚华教授，香港城市大学生物医学科学系姚希副教授和香港大学机械工程系王立秋教授。冯诗乐，大连理工大学机械工程学院副教授，大连理工大学“星海优青”，大连市新引进高层次人才。2017年7月在北京航空航天大学获得工学博士学位，导师是郑咏梅教授和侯永平副教授，2017年9月在香港城市大学从事博士后研究，合作导师是王钻开教授。2019年9月进入大连理工大学机械工程学院工作。主要致力于仿生功能表面结构设计、浸润性理论调控及应用基础研究。在Science，Sci. Adv.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Chem. Mater.，J. Mater. Chem. A等国际高水平期刊上发表论文30余篇，授权国家发明专利2项。朱平安，香港城市大学机械工程系助理教授。2013年本科毕业于中国科学技术大学安全科学与工程系，2017年于香港大学机械工程系获得博士学位，此后在香港大学、哈佛大学从事博士后研究，2020年底入职香港城市大学，成立界面和流体实验室（https://pinganzhu.wixsite.com/mecityu），主要研究方向包括微流控和仿生系统。曾获得香港大学机械工程系优秀论文奖，TechConnect全球创新奖，香港青年科学家奖工程领域提名。王钻开，香港城市大学机械工程系讲座教授。2000年毕业于吉林大学并获机械工程学士学位，2003年在中国科学院上海微系统与信息技术研究所，获微电子学硕士学位，2008年获美国伦斯勒理工大学机械工程博士学位，2009年在哥伦比亚大学进行博士后研究后入职香港城市大学。现为香港青年科学院创始成员，国际仿生学会Fellow, 工学院副院长。曾获得科学探索奖，国际仿生学会杰出青年奖，国际文化理事会青年特别嘉奖，上银优秀博士论文指导教师奖（2016优秀奖，2019年银奖），香港城市大学杰出研究奖和校长奖。在Nature, Science，Nature Physics, Nature Materials等杂志上发表论文160余篇。https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg7552更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。