一片叶子引发的Science

定向液体输送无处不在，对一系列实际应用至关重要，如微流体、化学反应、集水和加强传热。最近的努力表明，在地形、润湿性或表面电荷密度梯度设计的表面上自发、快速和远程液体运输是可行的。在所有这些研究中，液体驱动力主要由表面施加的梯度决定，因此，对于固定设计来说，液体的传播方向不能根据其固有特性来选择。例如，液体倾向于从高表面能区流向低表面能区，如不平衡毛细力驱动的润湿性梯度表面；由于拉氏压力的差异，圆锥导线上从高曲率区域到低曲率区；在非对称结构中，由于液体扩散动力学的差异，由高液钉向低液钉方向变化。

在最新发表的Science文章Three-dimensional capillary ratchet-inducedliquid directional steering中，香港城市大学王钻开团队研究了一种意想不到的液体在南洋杉（Araucaria）叶片上的输运行为，它由具有横向和纵向折返曲率的三维(3D)棘轮组成，其特征是低表面张力的液体沿着棘轮倾斜方向选择路径，而高表面张力液体则选择相反的方向。与广泛用于2D区域定向液体运输的传统微观结构不同，南洋杉叶片和南洋杉叶状表面(ALIS)具有三维棘轮，可以使液体在表面或在表面外吸进。

在这种观察的触发下，作者实现了3D打印来制造ALIS，该ALIS由若干平行的棘轮阵列组成。通过设计3D毛细管棘轮来定制不同表面张力的液体的传播方向，这些棘轮在表面平面内外都创建不对称和三维扩展轮廓。这种定向转向还伴随着自推进和高速流动，所有这些在液体运输中都是优先的。可以利用对液体扩散方向的良好控制选择进行不相溶的水油（如二氯乙烷）分离。当在ALIS上注入体积比为1:1的水油混合物时，油和水的运输方向相反，无需重力即可实现完全分离。此外，ALIS上的水的单向传输可用于打开原始隔离电路并点亮发光二极管，这为构建流体栅极提供了一条简单的路线。

综上所述，该工作表明，3D毛细棘轮可以巧妙地利用，为流体流动提供许多优势，如良好控制的方向转向、自推进、高速和长距离运输。

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图1. 用于液体方向控制的南洋杉叶片的结构特点

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图2. 南洋杉叶状表面（ALIS）的液体方向控制

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图3. 液体方向控制的机理

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图4. 通过ALIS促进或抑制毛细血管上升

作者介绍

△王钻开（中）与学生

王钻开是香港城市大学机械工程系教授、工学院副院长。2000年毕业于吉林大学，获机械工程学士学位，2003年在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年获伦斯勒理工学院机械工程博士学位，2009年在美国哥伦比亚大学生物医学工程进行博士后研究。作为通讯作者已在Science（1篇），Nature Physics（2篇），Nature Communications（3篇），Science Advances（2篇），Physical Review Letters等杂志上发表多篇高水平论文。他的科研成果被Nature，Nature News，Nature Physics News & Views，MaterialsView等多次专题和封面报道。发表在Small (2008)和Advanced Functional Material(2011)上关于仿生微纳结构相变传热的两篇文章引起了高度的关注(引用超过460次)，已成为机械微观传递领域的重要经典论文。

2020年11月，颁奖礼在北京举行，王钻开因其在流体传输和能源收集等领域的成就获得第二届“科学探索奖”。

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