解讀拓?fù)淞黧w二極管在多種工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)研究

液體定向自輸運在能源、微流體、油水分離和水收集等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。常規(guī)的液體單向輸運都需要通過外界能量的輸入來打破液體流動的對稱性和克服結(jié)構(gòu)表面缺陷造成的扎釘效應(yīng)。自然界中存在許多動植物，比如豬籠草、仙人掌、沙漠甲蟲和蜥蜴，他們可以巧妙地依靠自身表面的特殊微結(jié)構(gòu)來控制液滴的定向運動，從而在惡劣環(huán)境下生存。然而，實際工程應(yīng)用工況復(fù)雜，涉及到復(fù)雜界面和多相變過程。這樣，如何開發(fā)能夠超越大自然并能在廣譜溫度場區(qū)間實現(xiàn)定向無源自驅(qū)動、長距離輸運的人工材料體系是目前面臨的主要挑戰(zhàn)。

在縱向方向的液滴自輸運這一研究領(lǐng)域，一個關(guān)鍵的科學(xué)與工程問題是如何設(shè)計與開發(fā)新型仿生材料來打破固液界面固有的動態(tài)接觸時間的物理極限。傳統(tǒng)的超浸潤材料（荷葉效應(yīng)）主要基于微納米結(jié)構(gòu)，而且機(jī)械性能脆弱，戶外耐候性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐濕熱性能差，且難于加工。王鉆開團(tuán)隊發(fā)展了基于亞毫米尺度的非常規(guī)超浸潤體系，在國際上首次發(fā)現(xiàn)超疏水表面的液滴餅狀彈跳現(xiàn)象，建立液滴運動的動力學(xué)模型，揭示碰撞液滴無收縮彈離機(jī)制，顛覆了130年來人們對于固液界面動態(tài)接觸的常規(guī)認(rèn)識?；谠撃Ｐ驮O(shè)計制備了各種亞毫米非常規(guī)超浸潤表面，將液滴與超浸潤表面的接觸時間的物理極限縮短了80%（Nature Physics，2014， 10， 519， 參考文獻(xiàn)［1］）。該工作也在Nature Physics作為亮點報道。另外，基于玉蓮花表面弧度結(jié)構(gòu)這一啟發(fā)，開發(fā)了波浪形毫米級可變弧度仿生超浸潤表面，提出了超浸潤表面液滴非對稱彈跳理論，將固液接觸時間的理論極限縮短40%以上（Nature CommunicaTIons，2015，6， 10034，參考文獻(xiàn)［2］）。同時，將荷葉效應(yīng)和豬籠草效應(yīng)有機(jī)的結(jié)合，揭示了液體薄膜上類荷葉效應(yīng)的物理機(jī)理（Nature CommunicaTIons，2015， 6， 10034，參考文獻(xiàn)［3］），為開發(fā)非常規(guī)超浸潤表面提供了新的思路。

在橫向方向的液滴自驅(qū)動輸運這一研究領(lǐng)域，王鉆開團(tuán)隊系統(tǒng)研究了如何通過控制表面浸潤性和圖案化來實現(xiàn)液滴在復(fù)雜工況下的傳輸和能量轉(zhuǎn)換。在低溫下，他們提出同步強化膜狀和滴狀冷凝的策略，成功開發(fā)出親疏混雜微納米結(jié)構(gòu)，同步加速液滴的形成和自驅(qū)離，大幅提高表面?zhèn)鳠嵝剩ˋdvanced FuncTIonal Materials，2011，21， 4617， 封面，參考文獻(xiàn)［4］；ACS Nano，2015， 9， 71，封面，參考文獻(xiàn)［5］）。其中發(fā)在Advanced FuncTIonal Materials上的工作被Nature Physics的編輯評論為表面工程領(lǐng)域長期以來最有創(chuàng)意的研究工作。在高溫下，針對高溫條件由于萊頓弗羅斯特現(xiàn)象導(dǎo)致的低傳熱效率問題，巧妙設(shè)計了非對稱表面結(jié)構(gòu)，利用表面結(jié)構(gòu)和溫度雙向調(diào)控，誘導(dǎo)液滴轉(zhuǎn)移到換熱效率高的區(qū)域，避免出現(xiàn)傳熱中的沸騰危機(jī)（Nature Physics，2016， 12， 606，參考文獻(xiàn)［6］）。在常溫下，基于含羞草自折疊效應(yīng)，開發(fā)了無源自驅(qū)動薄膜，液體能迅速單方向快速鋪展（Science Advances，2016， 2，e1600417，參考文獻(xiàn)［7］），該工作被Nature和Nature Physics作為研究亮點報道。

【成果簡介】

近日，香港城市大學(xué)王鉆開課題組在微納米仿生表面液體驅(qū)動領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。該研究成果以“Topological liquid diode”（拓?fù)淞黧w二極管）為標(biāo)題于2017年10月27日發(fā)表在Science子刊Science Advances （2017， 3， eaao3530，參考文獻(xiàn)［8］）。香港城市大學(xué)為第一完成單位，合作單位有中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國石油大學(xué)（華東）、英國諾桑比亞大學(xué)和美國里海大學(xué)。香港城市大學(xué)王鉆開副教授與美國里海大學(xué)Manoj K. Chaudhury教授為論文的通訊作者。除了在非常規(guī)超浸潤材料體系與液體自輸運等機(jī)械仿生領(lǐng)域取得了一系列進(jìn)展之外，王鉆開研究小組也在抗結(jié)冰、防污、表面黏附等領(lǐng)域開展了一系列研究。

為實現(xiàn)流體的長距離、定向、自驅(qū)動傳輸，我們引入了拓?fù)淞黧w二極管的概念。通過設(shè)計獨特的微納米結(jié)構(gòu)，減少一個方向的流阻，同時增加反方向的流阻，兩者之間完美結(jié)合而互不干擾，實現(xiàn)了長距離的液體自驅(qū)動傳輸。該流體二極管突破了以往浸潤梯度驅(qū)動的傳輸長度限制和不對稱結(jié)構(gòu)驅(qū)動的鋪展速度限制，極大的提高了液體定向傳輸?shù)男?。該流體二極管具有廣泛的普遍性和穩(wěn)定性，可以傳輸性質(zhì)各異的液體（低表面能液體和高粘性液體），可以沿著不同路徑傳輸液體，可以克服重力傳輸液體，甚至可以克服溫度梯度傳輸。如此優(yōu)越的性能使得其在傳熱傳質(zhì)、多相流、水收集、液體傳輸、微流體、生物醫(yī)藥、電子冷卻等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。

圖1：流體二極管的設(shè)計和表征

（A） 流體二極管的電鏡圖片

（B） 微結(jié)構(gòu)的電鏡圖片

（C） 微結(jié)構(gòu)上內(nèi)沿的“蘑菇頭”結(jié)構(gòu)

（D） 單個液滴在流體二極管上的單向傳輸

（E） 不同性質(zhì)液體在流體二極管上的傳輸機(jī)制

（F） 處理后的不同性質(zhì)液體在流體二極管上的傳輸機(jī)制

圖2：流體二極管的微觀鋪展機(jī)制

（A） 前驅(qū)膜的鋪展過程

（B） 邊通道內(nèi)的夾角毛細(xì)效應(yīng)

（C） 液滴主體的鋪展過程

（D） 液滴主體鋪展的過程示意圖

圖3：流體二極管的扎釘機(jī)制和對比試驗

（A） 流體二極管液體扎釘?shù)碾婄R圖片

（B） 流體二極管液體扎釘?shù)倪^程示意圖

（C） 無“蘑菇頭”微結(jié)構(gòu)的表面液體扎釘打破的電鏡圖片

（D） 兩個方向的流體阻力

（E） 不同微結(jié)構(gòu)腔室大小對流體二極管的影響

（F） 流體二極管與對比試驗

圖4：流體二極管的通用性

（A） 流體二極管與已有液體自驅(qū)動表面的對比

（B） 流體二極管克服溫度梯度定向傳輸液體

（C） 流體二極管傳輸不同性質(zhì)的液體

（D） 流體二極管在不同路徑上傳輸液體