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香港城市大學的科學家受一種樹葉的啟發，發明了一種特殊表面，可以操縱不同液體的流動方向，解決了一個橫跨兩個世紀之久的難題。這一突破可能會掀起利用3D表面結構進行智慧液體操縱的新浪潮，對流體設計和傳熱強化等各種科學和工業應用產生深遠影響。
在香港城市大學機械工程系講座教授王鑽開的帶領下，研究小組發現南洋杉葉具有出人意料的液體傳輸行為，為液體流轉方向控制提供了令人興奮的原型。這一發現推動了液體傳輸領域的前沿發展，其研究結果發表在《科學》上，標題為“三維毛細棘齒誘導的液體流轉方向控制（Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering）”。
南洋杉是園林設計中常見的樹種，其葉子由眾多規律性排列並向葉尖傾斜的棘齒（ratchet，向一個方向傾斜內旋的鋸齒結構）組成。其中每個棘齒都有一個尖端，其上表面在橫向和縱向均有彎曲，而下表面則相對平坦光滑。這一南洋杉葉片的特殊結構，正是研究小組成員之一馮詩樂博士在參觀一家香港主題公園時注意到的。
特殊的葉片結構
王教授說：“人們一般認為，被傾倒在表面上的液體，傾向於沿表面能降低的方向流動。其流動方向主要取決於表面結構，與表面張力等液體本身的性質無關。”但研究小組發現，具有不同表面張力的液體會在南洋杉葉上朝向完全相反的方向擴散，這與傳統的理解背道而馳。
透過模仿這種自然結構，該團隊設計了一種受南洋杉葉啟發的表面(Araucaria leaf-inspired surface，ALIS)。這一表面帶有毫米級別的3D棘齒，使得液體能在毛細作用帶動下向棘齒平面的內外兩側流動。研究人員利用3D列印的聚合物複製了南洋杉葉的物理特性，並發現棘齒的結構和大小對實現液體流轉方向的控制至關重要，尤其是棘齒尖端的內凹結構、尖端間距以及棘齒的傾斜角度。
研究小組發現，對於像水這樣的高表面張力液體，其液體的一邊會被“固定”在3D棘齒的尖端。由於各個棘齒尖端的間距與液體的毛細長度相當，均在毫米級別，液體可以逆著棘齒的傾斜方向反向流動。相比之下，對於像乙醇這樣的低表面張力液體，表面張力會驅動液體沿著棘齒傾斜的方向正向流動。
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液體可以“選擇”流動方向
“我們首次實現了不同液體在同一表面的定向傳輸，成功解決了自1804年以來存在於表面和介面科學領域的一個難題，”王教授說，“新型毛細管棘輪的合理設計使液體能夠根據其表面張力和表面結構之間的相互作用‘決定’其擴散方向。能觀察到各種液體往不同方向的流動就像一個奇蹟，這是科學界首個有記錄的觀測結果。”
更有趣的是，他們的實驗表明水和乙醇的混合物可以在ALIS上向不同的方向流動，而其流動方向取決於乙醇的濃度。當乙醇濃度小於10%時，混合物逆著棘齒傾斜方向進行反向傳輸；當乙醇濃度大於40%時，混合物順著棘齒傾斜方向進行正向傳輸。濃度在10%~40%之間時則可以同時進行雙向傳輸。
“透過調控混合物中水和乙醇的比例，我們可以改變混合物的表面張力，從而控制液體流動的方向，”香港城市大學機械工程系的助理教授朱平安博士如是說，他是這篇文章的共同作者。
控制擴散方向
研究小組還發現，3D毛細棘齒可以根據傾斜方向促進或抑制液體傳輸。當將棘齒向上傾斜的ALIS插入乙醇培養皿中時，乙醇的毛細上升相比棘齒垂直於表面的ALIS要更高更快。當插入棘齒向下傾斜的ALIS時，乙醇的毛細上升現象變弱了。
他們的研究發現為液體的定向傳輸提供了一種有效的策略，為結構誘導的液體傳輸和相關新興應用（如微流體設計、傳熱強化和智慧液體分選）開闢了新的途徑。
“我們的新型液體流轉方向控制系統具有許多優點，比如能夠快速可控地實現長距離自推進運輸，無需複雜的微/奈米結構即可輕鬆製造ALIS。”王教授總結道。
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翻譯：李靜一
審校：周舒義
編輯：魏瀟
引進來源：香港城市大學
本文來自：中國數字科技館
