针尖集水，不对称的美！香港城大/大连理工在仿生功能表面实现液滴定向输运！

原创冯诗乐研之成理

▲第一作者：冯诗乐；通讯作者：王钻开，David Quére

第一作者单位：香港城市大学，大连理工大学

通讯单位：香港城市大学，巴黎高等物理化工学院

DOI: 10.1126/sciadv.abb4540

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近日大连理工大学冯诗乐副教授、香港城市大学王钻开教授和巴黎高等物理化工学院David Quéré教授在仿生功能表面液滴定向输运领域取得突破性进展。该研究成果以“Tip-induced flipping of droplets on Janus pillars: from local reconfiguration to global transport”为题发表在国际顶级期刊《Science Advances》上，报道了一种普遍存在的非对称结构诱导的尖端效应（TIF effect），该效应能够实现液滴在超疏水非对称结构尖端的重新配置，进而实现从微观到宏观的多尺度液滴的自发定向、快速和长程输运，为液滴的定向输运和水收集领域的发展提供了新的思路。

背景介绍

液滴的自发定向输运广泛存在于自然系统和实际工程领域，在芯片实验室中的微流控、能源电力系统中的冷凝换热、油气输运中的界面减阻、干旱沙漠中的水收集和潮湿雨林中的除湿等领域具有广泛的应用前景。研究发现，自然界生物为适应环境进化出了多种液滴输运的方式，这些方式主要取决于表面物理结构和化学组成的非对称性，表现为表面润湿性梯度、各向异性结构和曲率梯度等。

通常，这些液滴自发定向输运的基底为亲水表面，其表面粘附和摩擦会限制液滴输运的速度和距离。超疏水表面由于其极低的界面粘附和摩擦而成为了实现快速、长程的液滴自发定向输运的理想表面。然而，超疏水表面液滴自发定向输运仍然面临诸多困难。首先，超疏水表面因对液滴的束缚较小而难于控制其输运方向；其次，超疏水表面在冷凝条件下会因液滴进入结构间隙而增大表面的粘附，限制液滴输运的速度和距离。因此，开发出具有液滴自发定向、快速和长程输运的结构体系是目前面临的主要挑战。

本文亮点

本文借鉴自然界松针表面多级非对称结构特征，利用高精度加工技术，设计与制备仿松针多级非对称结构超疏水表面。发现了一种普遍存在的非对称结构诱导的尖端效应（TIF effect），该效应能够实现液滴在超疏水的非对称结构尖端的重新配置，进而实现从微观到宏观的多尺度液滴的自发定向、快速和长程输运（视频1）。建立了液滴在多级非对称结构超疏水表面上的能量变化物理模型，揭示了多级非对称结构调控液滴自发定向、快速和长程输运的机理。

图文解析

▲图1 松针和仿松针多级非对称结构表面的形貌结构

研究者受自然界松针结构启发，设计了一种多级非对称结构超疏水表面（PNAS），具体包括第一级的倾斜阵列结构、第二级的高度梯度结构和第三级的平面/曲面组合的半锥形结构（图1A, B）。为了进一步研究各级非对称结构的功能，研究者还设计了仅包含倾斜阵列结构和半锥形结构的对照样品（Janus pillars）和仅包含倾斜阵列结构和高度梯度结构的对照样品（Conical pillars）（图1C, D）。

▲图2 不同样品上液滴的定向输运

在PNAS上，液滴首先随机在表面凝结，随着时间的推移，液滴快速向结构尖端汇聚。此时，出现一种普遍存在却仍未报道过的现象：随机分布的液滴会在合并过程中重新配置并从半锥形结构的平面旋转到曲面位置。当同一根半锥形结构上的液滴合并时，合并后的液滴会沿着高度增加的方向运动；当液滴直径增大到和结构间距相当时，不同结构上的液滴合并且继续定向输运。由于极低的界面粘附和摩擦以及源源不断的能量供给（液滴合并释放的能量），液滴定向输运的速度可以达到10 cm/s（图2A）。通过对比三种样品上液滴的输运过程，研究者认为液滴的自发定向、快速和长程输运是多级非对称结构协同作用的结果（图2B, C, D）。

研究者通过分析液滴在半锥形结构和圆锥形结构尖端的合并行为，发现液滴在合并过程中重新配置并从半锥形结构的平面旋转到曲面的现象是非对称结构诱导的尖端效应（TIF effect）导致的（图3A, B）。液滴在非对称结构表面的运动主要包含两种情况：第一种是液滴尺寸小于结构尺寸或与其相当；第二种是液滴尺寸大于结构尺寸。以往的研究主要集中在第一种情况，其研究结果表明液滴坐落在平面上系统的总能量小于坐落在曲面上系统的总能量，因此液滴倾向于向曲率较小的表面运动，如Laplace效应。这与图3A中的实验结果完全相反。我们通过研究发现，当液滴尺寸大于结构尺寸时，液滴坐落在平面上系统的总能量反而大于坐落在曲面上系统的总能量，因此导致液滴更倾向于坐落在曲面上（图3C, D）。研究者通过观察毫米级的液滴在半圆柱上的合并行为，证明这种非对称结构诱导的尖端效应（TIF effect）是一种普遍现象，适用于各种尺度的液滴（图3E）。

▲图3非对称结构诱导的尖端效应（TIF effect）

研究者发现液滴的定向输运不仅发生在一个高度梯度结构单元上，在大尺度范围内同样存在。其液滴输运分为两部分：当液滴尺寸较小时，TIF effect 诱导液滴坐落于非对称结构的曲面上，并在合并过程中沿着高度增加的方向输运；当液滴尺寸较大时，表面的锯齿结构不仅能够促进液滴沿着高度增加的方向输运，还能够有效阻止其反向输运，从而实现了从微观到宏观的多尺度液滴的自发定向、快速和长程输运（图4）。该工作在液滴整流器的设计原理和液滴输运的内在机理领域提出了新的见解，在微流控设备和水收集系统中具有实际和潜在的应用。

▲图4 大尺度样品表面液滴的定向输运

总结与展望

研究者发现了非对称结构诱导尖端液滴重新配置的尖端效应，通过研究液滴在多级非对称结构上的生长、合并和输运等动态过程，建立了表面结构特征与液滴动态行为的内在联系；通过建立液滴在平面和曲面上的能量变化模型，揭示尖端效应产生的基本原理。本文研究成果可以进一步完善液滴可控输运的理论，为新型液滴输运系统的设计及应用提供理论依据与技术支持，推动其在微流控和冷凝换热等领域的实际应用。

作者介绍

冯诗乐，大连理工大学机械工程学院副教授，大连理工大学“星海优青”。2017年7月在北京航空航天大学获得工学博士学位，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。2019年9月进入大连理工大学机械工程学院工作。主要致力于仿生功能表面结构设计、浸润性理论调控及应用基础研究。在Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Chem. Mater.，J. Mater. Chem. A等国际高水平期刊上发表论文20余篇，授权国家发明专利2项。

王钻开，香港城市大学机械工程系教授,工学院副院长。2000年毕业于吉林大学并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年获美国伦斯勒理工大学机械工程博士学位，2009年在哥伦比亚大学进行博士后研究，2009年底入职香港城市大学，现为香港青年科学院创始成员，国际仿生学会Fellow。曾获得国际仿生学会杰出青年奖，国际文化理事会青年特别嘉奖，上银优秀博士论文指导教师奖（2016优秀奖，2019年银奖），香港城市大学杰出研究奖和校长奖。在Nature, Science等杂志上发表论文120余篇。

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