世界上第一個在仿生表面上發(fā)現(xiàn)液體定向轉(zhuǎn)向

城市大學(城大)的科學家受一種樹葉的啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)沉積在同一表面的不同液體的擴散方向是可以控制的，解決了一個已經(jīng)存在了兩個多世紀的挑戰(zhàn)。這一突破可能會引發(fā)使用 3D 表面結(jié)構(gòu)進行智能液體操縱的新浪潮，對各種科學和工業(yè)應用(例如流體設計和傳熱增強)具有深遠的影響。

在城大機械工程系講座教授王鉆凱教授的帶領下，研究小組發(fā)現(xiàn)南洋杉葉意外的液體傳輸行為為液體定向轉(zhuǎn)向提供了一個令人興奮的原型，推動了液體運輸?shù)那把?。他們的研究結(jié)果以“三維毛細管棘輪誘導的液體定向轉(zhuǎn)向”為題發(fā)表在著名的科學雜志《科學》上。

南洋杉是一種在園林設計中很受歡迎的樹種。它的葉子由周期性排列的棘輪組成，棘輪向葉尖傾斜。每個棘輪都有一個尖端，在其上表面具有橫向和縱向彎曲，以及相對平坦、光滑的底表面。當研究小組成員馮世樂博士參觀一個種植南洋杉的主題公園時，葉子的特殊表面結(jié)構(gòu)引起了他的注意。

特殊的葉片結(jié)構(gòu)使液體可以向不同方向擴散

“傳統(tǒng)的理解是，沉積在表面上的液體傾向于向降低表面能的方向移動。它的傳輸方向主要由表面結(jié)構(gòu)決定，與液體的特性無關，例如表面張力，”教授說。王。但研究小組發(fā)現(xiàn)，具有不同表面張力的液體在南洋杉葉上的擴散方向相反，與傳統(tǒng)認識形成鮮明對比。

通過模仿其自然結(jié)構(gòu)，該團隊設計了一種受南洋杉葉啟發(fā)的表面 (ALIS)，具有毫米大小的 3D 棘輪，使液體能夠在表面平面內(nèi)外進行芯吸(即通過毛細作用移動)。他們用聚合物的 3D 打印復制了葉子的物理特性。他們發(fā)現(xiàn)棘輪的結(jié)構(gòu)和尺寸，尤其是棘輪尖端的凹入結(jié)構(gòu)、棘輪的尖端間距和棘輪的傾斜角度，對液體方向轉(zhuǎn)向至關重要。

對于具有高表面張力的液體，如水，研究小組發(fā)現(xiàn)液體的一個前沿被“固定”在 3D 棘輪的尖端。由于棘輪的尖端間距與液體的毛細管長度(毫米)相當，因此液體可以逆著棘輪傾斜方向倒流。相反，對于低表面張力的液體，如乙醇，表面張力起到驅(qū)動力的作用，使液體沿棘輪傾斜方向向前移動。

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