【引言】

液體定向自輸運(yùn)在能源、微流體、油水分離和水收集等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。常規(guī)的液體單向輸運(yùn)都需要通過(guò)外界能量的輸入來(lái)打破液體流動(dòng)的對(duì)稱性和克服結(jié)構(gòu)表面缺陷造成的扎釘效應(yīng)。自然界中存在許多動(dòng)植物，比如豬籠草、仙人掌、沙漠甲蟲(chóng)和蜥蜴，他們可以巧妙地依靠自身表面的特殊微結(jié)構(gòu)來(lái)控制液滴的定向運(yùn)動(dòng)，從而在惡劣環(huán)境下生存。然而，實(shí)際工程應(yīng)用工況復(fù)雜，涉及到復(fù)雜界面和多相變過(guò)程。這樣，如何開(kāi)發(fā)能夠超越大自然并能在廣譜溫度場(chǎng)區(qū)間實(shí)現(xiàn)定向無(wú)源自驅(qū)動(dòng)、長(zhǎng)距離輸運(yùn)的人工材料體系是目前面臨的主要挑戰(zhàn)。

在縱向方向的液滴自輸運(yùn)這一研究領(lǐng)域，一個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)與工程問(wèn)題是如何設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)新型仿生材料來(lái)打破固液界面固有的動(dòng)態(tài)接觸時(shí)間的物理極限。傳統(tǒng)的超浸潤(rùn)材料（荷葉效應(yīng)）主要基于微納米結(jié)構(gòu)，而且機(jī)械性能脆弱，戶外耐候性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐濕熱性能差，且難于加工。王鉆開(kāi)團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于亞毫米尺度的非常規(guī)超浸潤(rùn)體系，在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)超疏水表面的液滴餅狀彈跳現(xiàn)象，建立液滴運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，揭示碰撞液滴無(wú)收縮彈離機(jī)制，顛覆了130年來(lái)人們對(duì)于固液界面動(dòng)態(tài)接觸的常規(guī)認(rèn)識(shí)。基于該模型設(shè)計(jì)制備了各種亞毫米非常規(guī)超浸潤(rùn)表面，將液滴與超浸潤(rùn)表面的接觸時(shí)間的物理極限縮短了80%（Nature Physics，2014， 10， 519， 參考文獻(xiàn)［1］）。該工作也在Nature Physics作為亮點(diǎn)報(bào)道。另外，基于玉蓮花表面弧度結(jié)構(gòu)這一啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了波浪形毫米級(jí)可變弧度仿生超浸潤(rùn)表面，提出了超浸潤(rùn)表面液滴非對(duì)稱彈跳理論，將固液接觸時(shí)間的理論極限縮短40%以上（Nature Communications，2015，6， 10034，參考文獻(xiàn)［2］）。同時(shí)，將荷葉效應(yīng)和豬籠草效應(yīng)有機(jī)的結(jié)合，揭示了液體薄膜上類荷葉效應(yīng)的物理機(jī)理（Nature Communications，2015， 6， 10034，參考文獻(xiàn)［3］），為開(kāi)發(fā)非常規(guī)超浸潤(rùn)表面提供了新的思路。

在橫向方向的液滴自驅(qū)動(dòng)輸運(yùn)這一研究領(lǐng)域，王鉆開(kāi)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了如何通過(guò)控制表面浸潤(rùn)性和圖案化來(lái)實(shí)現(xiàn)液滴在復(fù)雜工況下的傳輸和能量轉(zhuǎn)換。在低溫下，他們提出同步強(qiáng)化膜狀和滴狀冷凝的策略，成功開(kāi)發(fā)出親疏混雜微納米結(jié)構(gòu)，同步加速液滴的形成和自驅(qū)離，大幅提高表面?zhèn)鳠嵝剩?a target="_blank">Advanced Functional Materials，2011，21， 4617， 封面，參考文獻(xiàn)［4］；ACS Nano，2015， 9， 71，封面，參考文獻(xiàn)［5］）。其中發(fā)在Advanced Functional Materials上的工作被Nature Physics的編輯評(píng)論為表面工程領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)最有創(chuàng)意的研究工作。在高溫下，針對(duì)高溫條件由于萊頓弗羅斯特現(xiàn)象導(dǎo)致的低傳熱效率問(wèn)題，巧妙設(shè)計(jì)了非對(duì)稱表面結(jié)構(gòu)，利用表面結(jié)構(gòu)和溫度雙向調(diào)控，誘導(dǎo)液滴轉(zhuǎn)移到換熱效率高的區(qū)域，避免出現(xiàn)傳熱中的沸騰危機(jī)（Nature Physics，2016， 12， 606，參考文獻(xiàn)［6］）。在常溫下，基于含羞草自折疊效應(yīng)，開(kāi)發(fā)了無(wú)源自驅(qū)動(dòng)薄膜，液體能迅速單方向快速鋪展（Science Advances，2016， 2，e1600417，參考文獻(xiàn)［7］），該工作被Nature和Nature Physics作為研究亮點(diǎn)報(bào)道。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，香港城市大學(xué)王鉆開(kāi)課題組在微納米仿生表面液體驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。該研究成果以“Topological liquid diode”（拓?fù)淞黧w二極管）為標(biāo)題于2017年10月27日發(fā)表在Science子刊Science Advances （2017， 3， eaao3530，參考文獻(xiàn)［8］）。香港城市大學(xué)為第一完成單位，合作單位有中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國(guó)石油大學(xué)（華東）、英國(guó)諾桑比亞大學(xué)和美國(guó)里海大學(xué)。香港城市大學(xué)王鉆開(kāi)副教授與美國(guó)里海大學(xué)Manoj K. Chaudhury教授為論文的通訊作者。除了在非常規(guī)超浸潤(rùn)材料體系與液體自輸運(yùn)等機(jī)械仿生領(lǐng)域取得了一系列進(jìn)展之外，王鉆開(kāi)研究小組也在抗結(jié)冰、防污、表面黏附等領(lǐng)域開(kāi)展了一系列研究。

【本文亮點(diǎn)】

為實(shí)現(xiàn)流體的長(zhǎng)距離、定向、自驅(qū)動(dòng)傳輸，我們引入了拓?fù)淞黧w二極管的概念。通過(guò)設(shè)計(jì)獨(dú)特的微納米結(jié)構(gòu)，減少一個(gè)方向的流阻，同時(shí)增加反方向的流阻，兩者之間完美結(jié)合而互不干擾，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離的液體自驅(qū)動(dòng)傳輸。該流體二極管突破了以往浸潤(rùn)梯度驅(qū)動(dòng)的傳輸長(zhǎng)度限制和不對(duì)稱結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的鋪展速度限制，極大的提高了液體定向傳輸?shù)男?。該流體二極管具有廣泛的普遍性和穩(wěn)定性，可以傳輸性質(zhì)各異的液體（低表面能液體和高粘性液體），可以沿著不同路徑傳輸液體，可以克服重力傳輸液體，甚至可以克服溫度梯度傳輸。如此優(yōu)越的性能使得其在傳熱傳質(zhì)、多相流、水收集、液體傳輸、微流體、生物醫(yī)藥、電子冷卻等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1：流體二極管的設(shè)計(jì)和表征

（A） 流體二極管的電鏡圖片

（B） 微結(jié)構(gòu)的電鏡圖片

（C） 微結(jié)構(gòu)上內(nèi)沿的“蘑菇頭”結(jié)構(gòu)

（D） 單個(gè)液滴在流體二極管上的單向傳輸

（E） 不同性質(zhì)液體在流體二極管上的傳輸機(jī)制

（F） 處理后的不同性質(zhì)液體在流體二極管上的傳輸機(jī)制

圖2：流體二極管的微觀鋪展機(jī)制

（A） 前驅(qū)膜的鋪展過(guò)程

（B） 邊通道內(nèi)的夾角毛細(xì)效應(yīng)

（C） 液滴主體的鋪展過(guò)程

（D） 液滴主體鋪展的過(guò)程示意圖

圖3：流體二極管的扎釘機(jī)制和對(duì)比試驗(yàn)

（A） 流體二極管液體扎釘?shù)碾婄R圖片

（B） 流體二極管液體扎釘?shù)倪^(guò)程示意圖

（C） 無(wú)“蘑菇頭”微結(jié)構(gòu)的表面液體扎釘打破的電鏡圖片

（D） 兩個(gè)方向的流體阻力

（E） 不同微結(jié)構(gòu)腔室大小對(duì)流體二極管的影響

（F） 流體二極管與對(duì)比試驗(yàn)

圖4：流體二極管的通用性

（A） 流體二極管與已有液體自驅(qū)動(dòng)表面的對(duì)比

（B） 流體二極管克服溫度梯度定向傳輸液體

（C） 流體二極管傳輸不同性質(zhì)的液體

（D） 流體二極管在不同路徑上傳輸液體