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他曾接二连三被导师认为不适合读博,如今发完Nature,再发Science!

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如今发完Nature,再发Science!

仿生材料是一种“活”的材料,它可以通过吸取多种来自不同生命结构(形似)或是功能(神似)上的仿生灵感来不断完成进化,形成超越自然进化的结构和功能的组合。受一种树叶的启发,由香港城市大学王钻开教授领衔的研究团队发现沉积在同一表面的不同液体的扩散方向是可以控制的,解决了两个多世纪以来一直存在的挑战。这一突破可能会引发使用3D表面结构进行智能液体操纵的新浪潮,对各种科学和工业应用(例如流体设计和传热增强)具有深远的影响。相关研究结果以“Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering”为题发表在最新一期《Science》上。


【特殊的叶片结构使液体可以向不同方向扩散】

本文的第一作者Feng Shile在参观香港一个种植南洋杉的主题公园时,叶子的特殊表面结构引起了他的注意。南洋杉是一种在园林设计中很受欢迎的树种。它的叶子由周期性排列的棘轮组成,棘轮向叶尖倾斜。每个棘轮都有一个尖端,在其上表面具有横向和纵向弯曲,以及相对平坦、光滑的底表面(图1A-C)。

传统的理解是,沉积在表面上的液体倾向于沿降低表面能的方向移动。其输送方向主要由表面结构决定,与液体的表面张力等性质无关。但研究小组发现,具有不同表面张力的液体(具有不同表面张力 (γ) 和乙醇质量分数 (c) 的水-乙醇混合物)在南洋杉叶上的扩散方向相反,与传统认识形成鲜明对比(图1D-E)。


图 1. 用于液体定向转向的南洋杉叶的结构特征

由这一观察触发,作者使用3D打印来制造南洋杉叶子启发的表面(ALIS)。ALIS由几排平行棘轮阵列组成,间距p=750 μm,倾斜角α=40°,高度h=800 μm,行间宽度w=1000 μm,内间宽度d=400 μm,R1=400 μm,R2=650 μm(图2A-C)。作者分别以3 μl/s的流速将c=40%和c=10%的水-乙醇混合物注入ALIS,如图2D和2E所示,并观察到与此类似的传输行为在南洋杉叶上。c=40%的液体混合物显示向前传输(图2D),而c=10%的液体混合物显示向后传输(图2E)。在直线(图2D、E)和圆形(图2F)棘轮阵列上的自发传播过程中,液体的宽度几乎没有变化。这些结果不同于之前的研究,其中液体水坑在扩散过程中逐渐变宽,这表明3D棘轮的弯曲形状对液体前沿进行了强烈的钉扎(图2B、C)。图2G绘制了ALIS上具有不同表面张力γ的液体的传输距离s。作者发现随着平衡接触角(θ)从~20°增加到~82°,传输方向从前向后反转,在此期间交叉发生在θ=42°±5°,具有双向模式(图2G)。当ALIS置于倾斜角ϕ(0°<�ϕ≤90°)下时,,尽管运输距离s随着ϕ的增加而减小,这种方向转向仍然保持(图2H)。当在ALIS上注入体积比为1:1的水油混合物时,油和水显示出相反的传输方向,无需重力即可实现完全分离(图2I),与现有分离策略相反。此外,ALIS上水的单向传输可用于打开最初隔离的电路并点亮发光二极管,这提供了构建流体门的简单途径(图2J)。


图 2. ALIS上的液体定向转向

【液体定向转向机制】

作者首先检查了θ=32°和θ=60°的两种代表性液体的接触线。最初,当填充在两个相邻棘轮之间的凹凸不平处时,液体被底部向前(b+)、底部向后(b-)、顶部向前(t+)和顶部向后(t-)的四个关键位置限制。θ=32°的液体首先在b+位置打破钉扎,然后从下到上润湿棘轮。随着它的上升,会出现一个新的自下而上的上升周期,导致向前的连续、长距离传播(图3A)。相比之下,θ=60°的液体被固定在b+和b-位置,选择朝向顶部(t+和t-)位置的路径,并通过连续的顶部到-底部芯吸(图3B)。接下来,作者采用力分析探究了液体如何选择其扩散方向(图3C-E)。为了完全构建液体扩散的相位图,作者还考虑了当θ≈θ +(图3F,矩形)或θ<�θ −<�θ +(图3F,蓝色区域)时在过渡区域中发生的双向传输。

这些观察结果表明,棘轮的结构和尺寸,尤其是棘轮尖端的凹入结构、棘轮的尖端间距和棘轮的倾斜角度,对液体方向转向至关重要。对于具有高表面张力的液体,如水,研究小组发现液体的一个前沿被“固定”在3D棘轮的尖端。由于棘轮的尖端间距与液体的毛细管长度(毫米)相当,因此液体可以逆棘轮倾斜方向向后移动。相反,对于低表面张力的液体,如乙醇,表面张力起到驱动力的作用,使液体沿棘轮倾斜方向向前移动。


图 3. 液体定向转向机制

【液体定向转向应用】

液体定向转向可用于促进液体输送,例如在纺织品染色、喷墨印刷和海水淡化中,或抑制液体芯吸,例如在防腐和微生物扩散中。该团队发现3D毛细管棘轮可以根据棘轮的倾斜方向促进或抑制液体传输(图4A-D)。当将棘轮向上倾斜的ALIS插入装有乙醇的培养皿中时,乙醇的毛细管上升比具有对称棘轮(棘轮垂直于表面)的表面更高且更快。当插入棘轮向下倾斜的ALIS时,毛细管上升较低。作者还比较了不同样品的芯吸速度(图4E-F),这证明了ALIS在不需要纳米结构的情况下实现快速液体传输的有趣前景。


图 4. ALIS促进或抑制毛细管上升

【总结】

该团队制备的新型液体定向转向器具有许多优点,例如可控性好、快速、长距离运输和自推进。ALIS无需复杂的微/纳米结构即可轻松制造。该发现为智能引导液体传输到目标目的地提供了有效策略,为结构诱导的液体传输和新兴应用(如微流体设计、传热增强和智能液体分选)开辟了新途径。

【作者介绍】


王钻开是香港城市大学机械工程系教授,工学院副院长,教育部“国家人才计划”讲座教授,香港青年科学院创始成员。

他于2000年毕业于吉林大学,获机械工程学士学位,2003年毕业于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年在美国伦斯勒理工大学(RPI)获得机械工程博士学位,2008-2009年在哥伦比亚大学生物医学工程系进行博士后研究,2018年入选香港青年科学院院士,2019年入选国际仿生学会Fellow。

他在Nature 、Nature Physics、Nature Materials、Nature Communications、Science、Science Advances、PNAS、PRL等学术刊物上发表SCI论文130余篇。曾获第35届世界文化理事会特别青年嘉奖,香港城市大学杰出研究奖以及国际仿生学会杰出青年奖。培养的博士生荣获美国材料学会杰出研究生金奖和银奖(目前香港地区唯一的金奖和银奖)、上银优秀博士论文银奖,香港青年科学家奖。2020年9月,获得第二届科学探索奖(香港首届)。

来源:高分子科学前沿

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