能“操纵”液体流动方向的新材料诞生了

香港城市大学（City University of Hong Kong）的科学家受一种树叶的启发，发明了一种特殊表面，可以操纵不同液体的流动方向，解决了一个横跨两个世纪之久的难题。这一突破可能会掀起利用 3D 表面结构进行智能液体操纵的新浪潮，对流体设计和传热强化等各种科学和工业应用产生深远影响。

在香港城市大学机械工程系讲座教授王钻开的带领下，研究小组发现南洋杉（Araucaria）叶具有出人意料的液体传输行为，为液体流转方向控制（liquid directional steering）提供了令人兴奋的原型。这一发现推动了液体传输领域的前沿发展，其研究结果于 9 月 17 日发表在《科学》（Science）上，标题为“三维毛细棘齿诱导的液体流转方向控制（Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering）”。

南洋杉是园林设计中常见的树种，其叶子由众多规律性排列并向叶尖倾斜的棘齿（ratchet，向一个方向倾斜内旋的锯齿结构）组成。其中每个棘齿都有一个尖端，其上表面在横向和纵向均有弯曲，而下表面则相对平坦光滑。这一南洋杉叶片的特殊结构，正是研究小组成员之一冯诗乐博士在参观一家香港主题公园时注意到的。

不同液体在南洋杉叶上的流动方式。来源：City University of Hong Kong

特殊的叶片结构

王教授说：“人们一般认为，被倾倒在表面上的液体，倾向于沿表面能（surface energy）降低的方向流动。其流动方向主要取决于表面结构，与表面张力等液体本身的性质无关。”但研究小组发现，具有不同表面张力的液体会在南洋杉叶上朝向完全相反的方向扩散，这与传统的理解背道而驰。

通过模仿这种自然结构，该团队设计了一种受南洋杉叶启发的表面(Araucaria leaf-inspired surface，ALIS)。这一表面带有毫米级别的 3D 棘齿，使得液体能在毛细作用带动下向棘齿平面的内外两侧流动。研究人员利用 3D 打印的聚合物复制了南洋杉叶的物理特性，并发现棘齿的结构和大小对实现液体流转方向的控制至关重要，尤其是棘齿尖端的内凹结构、尖端间距以及棘齿的倾斜角度。

研究小组发现，对于像水这样的高表面张力液体，其液体的一边会被“固定”在 3D 棘齿的尖端。由于各个棘齿尖端的间距与液体的毛细长度相当，均在毫米级别，液体可以逆着棘齿的倾斜方向反向流动。相比之下，对于像乙醇这样的低表面张力液体，表面张力会驱动液体沿着棘齿倾斜的方向正向流动。

液体在新型表面上的流动。来源：City University of Hong Kong

液体可以“选择”流动方向

“我们首次实现了不同液体在同一表面的定向传输，成功解决了自 1804 年以来存在于表面和界面科学领域的一个难题，”王教授说，“新型毛细管棘轮的合理设计使液体能够根据其表面张力和表面结构之间的相互作用‘决定’其扩散方向。能观察到各种液体往不同方向的流动就像一个奇迹，这是科学界首个有记录的观测结果。”

更有趣的是，他们的实验表明水和乙醇的混合物可以在ALIS上向不同的方向流动，而其流动方向取决于乙醇的浓度。当乙醇浓度小于 10% 时，混合物逆着棘齿倾斜方向进行反向传输；当乙醇浓度大于 40% 时，混合物顺着棘齿倾斜方向进行正向传输。浓度在 10%~40% 之间时则可以同时进行双向传输。

“通过调控混合物中水和乙醇的比例，我们可以改变混合物的表面张力，从而控制液体流动的方向，”香港城市大学机械工程系的助理教授朱平安博士如是说，他是这篇文章的共同作者。

控制扩散方向

研究小组还发现，3D 毛细棘齿可以根据倾斜方向促进或抑制液体传输。当将棘齿向上倾斜的 ALIS 插入乙醇培养皿中时，乙醇的毛细上升相比棘齿垂直于表面的 ALIS 要更高更快。当插入棘齿向下倾斜的 ALIS 时，乙醇的毛细上升现象变弱了。

他们的研究发现为液体的定向传输提供了一种有效的策略，为结构诱导的液体传输和相关新兴应用（如微流体设计、传热强化和智能液体分选）开辟了新的途径。

“我们的新型液体流转方向控制系统具有许多优点，比如能够快速可控地实现长距离自推进运输，无需复杂的微/纳米结构即可轻松制造 ALIS。” 王教授总结道。

来源：科研圈