南洋杉葉片結(jié)構(gòu)獨(dú)特 作者供圖 

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(xué)副教授馮詩樂發(fā)現(xiàn)了“流體可以選擇自己的命運(yùn)，決定其流向”的奧秘，相關(guān)論文9月17日發(fā)表在《科學(xué)》雜志。

2018年，正在香港城市大學(xué)做博士后研究的馮詩樂在公園游玩時(shí)被一種葉片吸引了目光。這種葉片由雙重懸臂結(jié)構(gòu)鋸齒周期性排列組成，同時(shí)擁有橫向和縱向曲率。

做仿生學(xué)研究的馮詩樂眼前一亮，當(dāng)即把葉片帶回實(shí)驗(yàn)室。初步研究發(fā)現(xiàn)，酒精在葉片上沿鋸齒傾斜的方向流動(dòng)，而水竟然逆著葉片傾斜方向流動(dòng)。

馮詩樂的博士后導(dǎo)師、香港城市大學(xué)教授王鉆開長期從事仿生表界面學(xué)研究，他隨即提出一個(gè)深刻的科學(xué)問題：在不改變表面結(jié)構(gòu)和無能量輸入的前提下，液體能否自主選擇運(yùn)動(dòng)方向？

歷時(shí)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(qū)非常常見，甚至在香港城市大學(xué)的校園里就有很多。但把它帶進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的，馮詩樂可能是第一人。

實(shí)驗(yàn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)乙醇濃度超過40 %時(shí)，表面張力小，流體沿傾斜方向正向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)降低乙醇濃度至10%和40%之間時(shí)，液體雙向運(yùn)動(dòng)；繼續(xù)降低乙醇濃度至小于10 %時(shí)，表面張力大，液體改為逆向流動(dòng)。

“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(yùn)動(dòng)方向卻聞所未聞。馮詩樂表示，這種奇怪的現(xiàn)象同傳統(tǒng)認(rèn)知完全背道而馳。

研究者通過高精度3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備了一種仿南洋杉葉片結(jié)構(gòu)的3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面（ALIS）。進(jìn)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(fù)方向，臨界轉(zhuǎn)變接觸角為42 ± 5°，即使在逆重力的情況下，依然如此。

南洋杉葉片結(jié)構(gòu)特征和流體輸運(yùn) 作者供圖

這一現(xiàn)象背后的機(jī)理是什么？研究者們翻遍文獻(xiàn)，并未找到答案。

“文獻(xiàn)中有很多單向流動(dòng)的記錄，但是雙向流動(dòng)我們百思不得其解，查文獻(xiàn)、問專家，都沒有結(jié)論?！瘪T詩樂告訴《中國科學(xué)報(bào)》，自1804年表/界面科學(xué)潤濕性基礎(chǔ)理論提出以來，研究者普遍認(rèn)為，液體在某一種表面上的運(yùn)動(dòng)方向是確定的，由材料表面結(jié)構(gòu)決定，而與液體的種類、表面張力等本征性質(zhì)無關(guān)。

研究進(jìn)展到這兒，突然卡了殼。

追根溯源

擱淺了半年之后，研究組迎來轉(zhuǎn)機(jī)。

通過高倍數(shù)的彩色高速攝像技術(shù)，研究人員得以一幀一幀地觀察流體運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)軸及三相接觸線的變化規(guī)律。得益于信息量豐富的彩色圖像，他們反復(fù)觀察發(fā)現(xiàn)了一種全新的非對稱3D固/液界面交互作用，這導(dǎo)致低表面能液體展現(xiàn)自下而上的鋪展模式，而高表面能液體展現(xiàn)自上而下的鋪展模式。

作者指出，區(qū)別于傳統(tǒng)微米結(jié)構(gòu)表面僅能誘發(fā)2D固/液界面作用，南洋杉葉片結(jié)構(gòu)表面尺度在亞毫米數(shù)量級，其特征長度和流體毛細(xì)長度相當(dāng)，因此能夠誘發(fā)3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)縱向曲率和橫向曲率的聯(lián)合作用，產(chǎn)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(xiàn)象完全不同，液體自主擇向現(xiàn)象的本質(zhì)機(jī)理就是在這里?！瘪T詩樂說。

論文審稿人評價(jià)稱：“該研究結(jié)果非常獨(dú)特，區(qū)別于定向潤濕領(lǐng)域以往發(fā)表的其他論文成果?！?

另一位審稿人則認(rèn)為：“這是一項(xiàng)高質(zhì)量的工作，唯一的疑問是它是否具有充分的開創(chuàng)性和廣泛的興趣，使其發(fā)表在《科學(xué)》上，我的看法是肯定的。這項(xiàng)研究必將開辟許多全新的研究方向，并啟發(fā)科研人員在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究領(lǐng)域探索出更多延伸性工作?！?

開啟方向

據(jù)悉，隨著對自然界生物表面結(jié)構(gòu)和功能的深入探索，仿生功能表面的研究呈爆炸式發(fā)展，包括仙人掌表面的水收集、豬籠草表面流體定向輸運(yùn)、荷葉表面的超疏水性能等。其中，流體定向輸運(yùn)的研究近5年相繼在《自然》和《科學(xué)》及其子刊上發(fā)表論文超20篇，是一個(gè)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(yùn)動(dòng)方向的科學(xué)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(yùn)新方向。

據(jù)悉，ALIS能顯著促進(jìn)或抑制毛細(xì)升（細(xì)小的玻璃管插入水中，水會在管中上升到一定高度才停止）現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在普通表面上6毫米高度的毛細(xì)升，到了ALIS上，毛細(xì)升高度達(dá)到16毫米。而當(dāng)把ALIS的葉片尖端朝下放置時(shí)，毛細(xì)升現(xiàn)象被顯著抑制。

馮詩樂指出，毛細(xì)升促進(jìn)現(xiàn)象一般發(fā)生在納米結(jié)構(gòu)中，而亞毫米結(jié)構(gòu)的ALIS尺度更大，卻在同多種微米和納米結(jié)構(gòu)材料的比較試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)速度最快、高度最大的毛細(xì)升現(xiàn)象。

作者表示，流體自主擇向可應(yīng)用于促進(jìn)紡織染色、噴墨打印、海水淡化等領(lǐng)域的流體輸運(yùn)，也可以用于抑制防腐、微生物傳播等領(lǐng)域的毛細(xì)升現(xiàn)象。