【水往高處走?水往低處流?聽自己的!】都說“人往高處走,水往低處流”,3年前的一次“偶遇”讓大連理工大學副教授馮詩樂發現了“流體可以選擇自己的命運,決定其流向”的奧祕,相關論文9月17日發表在《科學》雜志。

2018年,正在香港城市大學做博士後研究的馮詩樂在公園遊玩時被一種葉片吸引了目光。這種葉片由雙重懸臂結構鋸齒周期性排列組成,同時擁有橫向和縱向曲率。

做仿生學研究的馮詩樂眼前一亮,當即把葉片帶回實驗室。初步研究發現,酒精在葉片上沿鋸齒傾斜的方向流動,而水竟然逆著葉片傾斜方向流動。

馮詩樂的博士後導師、香港城市大學教授王鉆開長期從事仿生表界面學研究,他隨即提出一個深刻的科學問題:在不改變表面結構和無能量輸入的前提下,液體能否自主選擇運動方向?

曆時3年,他們在國際上首次回答了這一問題,答案是:能。

聞所未聞

馮詩樂看中的這種植物叫南洋杉,在我國南方沿海地區非常常見,甚至在香港城市大學的校園里就有很多。但把它帶進實驗室的,馮詩樂可能是第一人。

實驗中,研究人員通過混合不同比例的乙醇和水,制備不同表面張力的液體。結果發現,當乙醇濃度超過40 %時,表面張力小,流體沿傾斜方向正向運動;當降低乙醇濃度至10%和40%之間時,液體雙向運動;繼續降低乙醇濃度至小於10 %時,表面張力大,液體改為逆向流動。

“水往高處走”的研究很多,但液體在同一表面無外力情況下自主選擇運動方向卻聞所未聞。馮詩樂表示,這種奇怪的現象同傳統認知完全背道而馳。

研究者通過高精度3D打印技術,設計並制備了一種仿南洋杉葉片結構的3D毛細鋸齒結構表面(ALIS)。

進一步研究表明,不同表面張力的液體在這一表面上的接觸角從20°增加到82°,其傳輸方向從正方向逐漸過渡到負方向,臨界轉變接觸角為42 ± 5°,即使在逆重力的情況下,依然如此。

這一現象背後的機理是什麼?研究者們翻遍文獻,並未找到答案。

“文獻中有很多單向流動的記錄,但是雙向流動我們百思不得其解,查文獻、問專家,都沒有結論。”馮詩樂告訴《中國科學報》,自1804年表/界面科學潤濕性基礎理論提出以來,研究者普遍認為,液體在某一種表面上的運動方向是確定的,由材料表面結構決定,而與液體的種類、表面張力等本徵性質無關。

研究進展到這兒,突然卡了殼。

追根溯源

擱淺了半年之後,研究組迎來轉機。

通過高倍數的彩色高速攝像技術,研究人員得以一幀一幀地觀察流體運動過程中的運動軸及三相接觸線的變化規律。

得益於訊息量豐富的彩色圖像,他們反複觀察發現了一種全新的非對稱3D固/液界面交互作用,這導致低表面能液體展現自下而上的鋪展模式,而高表面能液體展現自上而下的鋪展模式。

作者指出,區別於傳統微米結構表面僅能誘發2D固/液界面作用,南洋杉葉片結構表面尺度在亞毫米數量級,其特徵長度和流體毛細長度相儅,因此能夠誘發3D毛細鋸齒結構縱向曲率和橫向曲率的聯合作用,產生了3D空間上非對稱固/液界面相互作用。

“2D固/液界面與3D固/液界面觀察到的現象完全不同,液體自主擇向現象的本質機理就是在這里。”馮詩樂說。

論文審稿人評價稱:“該研究結果非常獨特,區別於定向潤濕領域以往發表的其他論文成果。”

另一位審稿人則認為:“這是一項高質量的工作,唯一的疑問是它是否具有充分的開創性和廣汎的興趣,使其發表在《科學》上,我的看法是肯定的。這項研究必將開辟許多全新的研究方向,並啟發科研人員在基礎和應用研究領域探索出更多延伸性工作。”

開啟方向

據悉,隨著對自然界生物表面結構和功能的深入探索,仿生功能表面的研究呈爆炸式發展,包括仙人掌表面的水收集、豬籠草表面流體定向輸運、荷葉表面的超疏水性能等。

其中,流體定向輸運的研究近5年相繼在《自然》和《科學》及其子刊上發表論文超20篇,是一個頗有前景的研究方向。

馮詩樂表示,該工作提出了液體自主選擇運動方向的科學問題,建立一種全新的非對稱3D固/液界面交互作用,也開啟三維流體可控輸運新方向。

據悉,ALIS能顯著促進或抑制毛細升(細小的玻琍管插入水中,水會在管中上升到一定高度才停止)現象。

實驗發現,在普通表面上6毫米高度的毛細升,到了ALIS上,毛細升高度達到16毫米。而當把ALIS的葉片尖端朝下放置時,毛細升現象被顯著抑制。

馮詩樂指出,毛細升促進現象一般發生在納米結構中,而亞毫米結構的ALIS尺度更大,卻在同多種微米和納米結構材料的比較試驗中實現速度最快、高度最大的毛細升現象。

作者表示,流體自主擇向可應用於促進紡織染色、噴墨打印、海水淡化等領域的流體輸運,也可以用於抑制防腐、微生物傳播等領域的毛細升現象。#你不知道的科學那些事兒# http://t.cn/A6M2um7d

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