攻克流体操控难题！香港城大打破“水往低处流”自然规律，独创亚毫米级3D毛细锯齿结构表...
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在人们传统认知中，液体在固态表面上的自发运动方向取决于表面性质，而与液体的本身属性无关。
近日，香港城市大学王钻开教授课题组在南洋杉叶片独特结构启发下，首次提出了一种亚毫米级 3D 毛细锯齿结构，并在其诱导下成功实现快速、长程、自主择向的流体操控。[1]
此项研究提出并解决了固液界面流体操控领域中，在无外在因素影响的情况下，同一表面上流体能否自主选择运动方向的难题，不仅打破了人们的传统认知，同时也为流体操控的广泛应用提供了理论支撑。
图 | 相关论文（来源：Science）
9 月 17 日，相关论文以《三维毛细锯齿诱导液体自主择向》（3D capillary ratchet-induced liquid directional steering）为题发表在 Science 上。审稿人对此评价道：“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。”
大连理工大学机械工程学院副教授冯诗乐和香港城市大学机械工程系助理教授朱平安为该论文的共同第一作者，香港城市大学机械工程系王钻开教授担任通讯作者。
打破“水往低处流”的传统认知，实现液体自主择向
谈到该研究的出发点，冯诗乐表示，固液界面流体操控技术在自然界中广泛存在，是生物体表面长期进化的结果，学术价值显著。此外，其在实际工程领域也应用广泛。
另一方面，固液界面流体操控技术的研究有着悠久的历史，最早可追溯到 1804 年，英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young）首次提出表/界面科学润湿性基础理论。
自此，科学家们对液体在固体表面的运动方向达成一个共识，那就是液体趋向于从能量高向能量降低的方向运动。这也意味着液体在无外力影响的情况下拥有非常明确的方向性，并不会因为液体自身属性的变化而导致运动方向发生改变。
图 | 冯诗乐实验中（来源：冯诗乐）
然而，随着固液界面流体操控技术在实际工程应用中不断得到验证，人们逐渐发现：实现液体在表面流动方向和流速的调控，不仅可以在基础研究领域收获更多，同时也可为探索流体操控在未知领域的应用提供思路。
因此，对流体操控技术的研究可谓非常有必要。在这种情况下，如何在不改变表面结构和无能量输入的前提下，调控流体的铺展方式和输运方向成为了王钻开团队的研究目标。
在此项研究中，王钻开团队共探究了两大关键问题：一是如何实现液体自主择向；二是揭示了流体自主择向的原理。
该团队通过反复观察流体在不同表面运动过程中的动态变化，同时对比其与以往研究的区别，发现了一种全新的非对称 3D 固/液界面交互作用。
图 | 亚毫米级 3D 毛细锯齿结构固/液界面形态及液体自主择向机理（来源：冯诗乐）
“这种全新的非对称 3D 固/液界面交互作用，可调控不同表面张力液体的铺展模式和输运方向，从而实现流体输运在长距离下的自主择向，同时也从根本上揭示了亚毫米级 3D 毛细锯齿结构诱导流体自主择向的机理。”王钻开表示。
除了方向之外，速度也是一大关键。基于制备的 3D 毛细锯齿结构表面，王钻开团队不仅实现了不同液体的不同方向扩展，而且液体各项指标表现优异，甚至能以百米跑的速度迅速完成铺展。
受南洋杉叶片启发，构建仿生表面
在流体力学领域，如何让液体实现自主择向一直是科学界一个悬而未决的难题，这个问题也一直困扰着冯诗乐。
一个偶然的机会，南洋杉叶片独特的三维结构吸引了冯诗乐的注意力。南洋杉喜暖湿气候，抗风强，是五大常见的公园树种之一，在中国广东、福建、香港、海南、云南等地区均有栽种。
冯诗乐进一步研究发现，南洋杉叶片如锯齿般整齐排列，在这种具有多曲率特征的双重悬臂结构下，不同液体的流动方向竟然是不同的。比如水和酒精，这两种液体在南洋杉叶面上的流动方向完全是相反的。
图 | 南洋杉叶片结构特征及液体输运性能（来源：冯诗乐）
这一无意间的发现，给冯诗乐的研究带来了非常大的启发。基于此，该课题组最终通过高精度的 3D 打印技术，成功研制出亚毫米级毛细锯齿结构表面。该表面如同一个“蘑菇头”，与以往的二维空间结构差异明显，当不同液体在该表面上流动时，可展现出不同的铺展方式。
“这项研究也为以后的科研人提供了一个很好的示范案例，那就是科研工作不一定是自上而下的，也可以自下而上，即从观察自然中获取灵感，最终反馈到学术研究。”王钻开评价道。
在王钻开教授看来，大自然就是科研工作者最好的灵感库。他认为，当前搞科研的人非常多，想要有所创新，开展仿生研究是非常有必要的。
图 | 仿南洋杉 3D 毛细锯齿结构特征及液体自主择向（来源：冯诗乐）
除此之外，这项研究还有一个很大的创新点，即该团队设计的 3D 毛细锯齿结构表面并不是常见的微纳结构，而是将结构的特征尺寸界定在亚毫米级。
在看来王钻开，当今的科研界似乎陷入了一个思维定式，90% 的研究方向都是纳米微观，然而这些技术的性能在宏观条件通常很难展现。此次我们反其道而行之，将结构尺寸设定在亚毫米，尽管没有精细微纳结构，但是液体的毛细升速度可以达到一个非常快的状态。
为液体可控输运开辟全新途径
谈到液体自主择向的应用价值，冯诗乐表示，液体可控输运广泛应用于干旱环境下的水收集、除湿、冷凝换热、飞机表面的抗结冰和油气输运的界面减阻等领域。
此外，流体自主择向也可以用于众多领域中的毛细升现象（capillary rising）。毛细升现象是指液体在不需施加外力的情况下，流向细管状物体或细缝的现象，甚至可令液体克服地心引力而上升。毛细升过程中的驱动力，是固液界面相互作用产生的附加压力。
图 | 亚毫米级 3D 毛细锯齿结构表面毛细升效应的促进和抑制（来源：冯诗乐）
通过实验验证，该团体发现将液体自主择向应用于毛细升现象的促进和抑制，可令毛细升现象迅速呈现，且在距离上也有了极大程度提升。从而不断拓展流体操控的应用领域，比如防腐、清洁等。
王钻开介绍道，“以空调的冷凝换热为例，该技术可将冷凝端液体迅速铺展到蒸发端，大幅度提升散热性能，对于手机散热也有很高的实用价值。此外，该技术还可应用于病毒检测，通过液体的快速流动从而迅速得出检测结果，极大程度上减少试剂损耗。”
不过对于该项研究来说，最大的难点是如何将研究成果应用于实际生产中去，实现大规模转化与利用。目前，该团队仍然在为此持续努力。
多学科交叉助力，做潜心钻研学者
冯诗乐介绍道，2012 年，他进入北京航空航天大学攻读工学博士学位，研究领域是材料物理与化学，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。
图 | 冯诗乐（来源：冯诗乐）
“王钻开教授是表界面技术领域的专家，我在他的指导下对仿生功能表面结构设计展开研究，一开始我只是被动研究，不断接触下来，我对该领域逐渐产生了浓厚的兴趣。自然界生物表面特殊结构就像是一件精美的艺术品，探索其结构和性能的科学本质渐渐变成了一种追求。”冯诗乐表示。
据了解，王钻开 2008 年获美国伦斯勒理工大学机械工程博士学位，2009 年回国后任职香港城市大学，并积极参与筹建了香港青年科学院，现任香港城市大学工学院副院长，先后在 Nature、Science、Nature Physics、Nature Materials 等杂志上发表论文 160 余篇。
王钻开课题组拥有一个庞大的团队，主要由十多名博士后和十多名博士构成。研究课题也非常宽广，涉及到流体操控、能源电力、电子传感、机器人、粘附、微纳制造等领域，涵盖了从超低温到超高温的一系列研究。
该团队致力于围绕仿生表界面工程在材料和物理等交叉领域的研究，提出构筑、调控仿生表界面行为的新机理和新方法，从而推动仿生科技在能源收集、水收集、传热传质、防污减阻和抗结冰等诸多领域的发展与应用。
图 | 左为王钻开教授，右为朱平安助理教授（来源：冯诗乐）
“当问题出现时，单一的学科系统往往显得力不从心，往往会将科研人员局限在狭小空间内。我一向提倡多学科交叉，这种新的加工手段常常会使我豁然开朗。”谈到成功的重要因素，王钻开如是说道。
此次揭示的亚毫米级 3D 毛细锯齿结构诱导的液体自主择向现象，正是多学科交叉研究的成果。而此前，该课题组已有多项重要研究成果问世。例如：
第一、首次提出超疏水阵列结构表面液滴饼状弹跳动力学理论。该团队将液滴与超疏水表面固有的动态接触时间缩短了 80%，不仅打破常规固/液接触时间的终极物理极限，还创造了新的吉尼斯世界记录。[2]
相关研究成果于 2014 年发表在国际著名期刊 Nature Physics上，为该期刊 2014 年所有发表论文中的高被引论文。
第二、突破过往液滴发电机发电功率密度不高的研究瓶颈。为推动表界面材料在能源收集方面的应用，课题组提出了晶体管式体效应发电机。该研究成果于 2020 年在 Nature 正式发表，为蓝色能源的开发提供了新的视角。[3]
对于未来，王钻开教授表示，团队下一步将会持续关注表面流体操控问题，并不断延展其科学内涵。同时注重将基础研究与实际生产相结合，开发其在微流控、冷凝传热领域的相关应用。
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