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定向液體輸送無處不在，對一系列實際應用至關重要，如微流體、化學反應、集水和加強傳熱。最近的努力表明，在地形、潤濕性或表面電荷密度梯度設計的表面上自發、快速和遠程液體運輸是可行的。在所有這些研究中，液體驅動力主要由表面施加的梯度決定，因此，對于固定設計來說，液體的傳播方向不能根據其固有特性來選擇。例如，液體傾向于從高表面能區流向低表面能區，如不平衡毛細力驅動的潤濕性梯度表面；由于拉氏壓力的差異，圓錐導線上從高曲率區域到低曲率區；在非對稱結構中，由于液體擴散動力學的差異，由高液釘向低液釘方向變化。

在最新發表的Science文章Three-dimensional capillary ratchet-inducedliquid directional steering中，香港城市大學王鉆開團隊研究了一種意想不到的液體在南洋杉（Araucaria）葉片上的輸運行為，它由具有橫向和縱向折返曲率的三維(3D)棘輪組成，其特征是低表面張力的液體沿著棘輪傾斜方向選擇路徑，而高表面張力液體則選擇相反的方向。與廣泛用于2D區域定向液體運輸的傳統微觀結構不同，南洋杉葉片和南洋杉葉狀表面(ALIS)具有三維棘輪，可以使液體在表面或在表面外吸進。

在這種觀察的觸發下，作者實現了3D打印來制造ALIS，該ALIS由若干平行的棘輪陣列組成。通過設計3D毛細管棘輪來定制不同表面張力的液體的傳播方向，這些棘輪在表面平面內外都創建不對稱和三維擴展輪廓。這種定向轉向還伴隨著自推進和高速流動，所有這些在液體運輸中都是優先的。可以利用對液體擴散方向的良好控制選擇進行不相溶的水油（如二氯乙烷）分離。當在ALIS上注入體積比為1:1的水油混合物時，油和水的運輸方向相反，無需重力即可實現完全分離。此外，ALIS上的水的單向傳輸可用于打開原始隔離電路并點亮發光二極管，這為構建流體柵極提供了一條簡單的路線。

綜上所述，該工作表明，3D毛細棘輪可以巧妙地利用，為流體流動提供許多優勢，如良好控制的方向轉向、自推進、高速和長距離運輸。

圖文詳情

一片葉子引發的Science

圖1. 用于液體方向控制的南洋杉葉片的結構特點

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圖2. 南洋杉葉狀表面（ALIS）的液體方向控制

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圖3. 液體方向控制的機理

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圖4. 通過ALIS促進或抑制毛細血管上升

作者介紹

△王鉆開（中）與學生

王鉆開是香港城市大學機械工程系教授、工學院副院長。2000年畢業于吉林大學，獲機械工程學士學位，2003年在中國科學院上海微系統與信息技術研究所，獲微電子學碩士學位，2008年獲倫斯勒理工學院機械工程博士學位，2009年在美國哥倫比亞大學生物醫學工程進行博士后研究。作為通訊作者已在Science（1篇），Nature Physics（2篇），Nature Communications（3篇），Science Advances（2篇），Physical Review Letters等雜志上發表多篇高水平論文。他的科研成果被Nature，Nature News，Nature Physics News & Views，MaterialsView等多次專題和封面報道。發表在Small (2008)和Advanced Functional Material(2011)上關于仿生微納結構相變傳熱的兩篇文章引起了高度的關注(引用超過460次)，已成為機械微觀傳遞領域的重要經典論文。

2020年11月，頒獎禮在北京舉行，王鉆開因其在流體傳輸和能源收集等領域的成就獲得第二屆“科學探索獎”。

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