控(kong)制液(ye)(ye)體(ti)的定向(xiang)運輸(shu)(shu)對于界面(mian)工程、微流控(kong)技術(shu)、強化傳熱和生化分析(xi)等具有重(zhong)要意(yi)義。現(xian)有技術(shu)能在(zai)無(wu)外部(bu)能量(liang)輸(shu)(shu)入條件下實(shi)現(xian)定向(xiang)運輸(shu)(shu)液(ye)(ye)體(ti)，但(dan)修飾潤濕性梯(ti)度(du)或結構的表面(mian)對液(ye)(ye)體(ti)操控(kong)的驅動(dong)力常局限(xian)在(zai)一維(wei)方(fang)向(xiang)，限(xian)制了(le)液(ye)(ye)體(ti)的運輸(shu)(shu)只(zhi)能在(zai)一維(wei)兩(liang)個(ge)方(fang)向(xiang)內調控(kong)，而無(wu)法實(shi)現(xian)多向(xiang)可控(kong)運輸(shu)(shu)，在(zai)一定程度(du)上制約了(le)液(ye)(ye)體(ti)操控(kong)表面(mian)功能的進(jin)一步開發和應用拓展。

為(wei)(wei)(wei)實(shi)現(xian)(xian)多向(xiang)調控(kong)液(ye)體(ti)，香港理(li)工大學王(wang)立(li)秋教授團隊提出(chu)了由(you)陣列式三(san)維(wei)不對稱尖牙結(jie)(jie)構(gou)單(dan)元組(zu)成的(de)(de)結(jie)(jie)構(gou)化(hua)表(biao)(biao)(biao)面(mian)，為(wei)(wei)(wei)不同(tong)表(biao)(biao)(biao)面(mian)張力(li)液(ye)體(ti)定制運(yun)輸(shu)方向(xiang)，并呈現(xian)(xian)出(chu)五種新穎的(de)(de)運(yun)輸(shu)模(mo)式（圖(tu)1）。這種智能(neng)調控(kong)液(ye)體(ti)的(de)(de)能(neng)力(li)源于(yu)所設計表(biao)(biao)(biao)面(mian)單(dan)元自(zi)下而上(shang)分布的(de)(de)多曲率特征，在三(san)維(wei)空間上(shang)交替(ti)地(di)主(zhu)導液(ye)體(ti)表(biao)(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)局部拉普拉斯壓(ya)差，從而原位(wei)控(kong)制不同(tong)潤濕性液(ye)體(ti)的(de)(de)多樣(yang)定向(xiang)運(yun)輸(shu)模(mo)式。該表(biao)(biao)(biao)面(mian)根據液(ye)體(ti)特性實(shi)施多模(mo)式控(kong)制的(de)(de)能(neng)力(li)使其具(ju)備傳統結(jie)(jie)構(gou)化(hua)表(biao)(biao)(biao)面(mian)難以實(shi)現(xian)(xian)的(de)(de)創新功能(neng)，如構(gou)建(jian)自(zi)適應液(ye)體(ti)電路、便攜式表(biao)(biao)(biao)面(mian)張力(li)指示器(qi)、智能(neng)調控(kong)液(ye)體(ti)及(ji)按需(xu)熱(re)管理(li)。該研(yan)究以“In Situ Multi-Directional Liquid Manipulation Enabled by 3D Asymmetric Fang-Structured Surface”為(wei)(wei)(wei)題發(fa)表(biao)(biao)(biao)于(yu)《Advanced Materials》，團隊博士生(sheng)孫思琦為(wei)(wei)(wei)論文第一作者，王(wang)立(li)秋講席教授為(wei)(wei)(wei)通訊(xun)作者，張藝媛研(yan)究助理(li)教授為(wei)(wei)(wei)共同(tong)通訊(xun)作者。

圖1：結構化(hua)表面上的多向液(ye)體運輸行為及(ji)潛在應用。

視(shi)頻1：多向液體(ti)(ti)運輸行為及表面(mian)單元的(de)(de)多曲率(lv)結構對(dui)液體(ti)(ti)定向運輸起主導(dao)作用的(de)(de)曲率(lv)特征。

原(yuan)位多模態(tai)定向液體操控機制

注(zhu)入(ru)結(jie)構化(hua)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)體(ti)首先填充相鄰四個單(dan)元間的(de)(de)(de)(de)(de)空隙，并在(zai)單(dan)元的(de)(de)(de)(de)(de)特定(ding)曲率(lv)結(jie)構處形成(cheng)局部曲率(lv)不(bu)等的(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)體(ti)彎月面(mian)(mian)，這導致液(ye)體(ti)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)不(bu)同(tong)位置的(de)(de)(de)(de)(de)拉普拉斯(si)壓(ya)差不(bu)同(tong)，進(jin)而驅動液(ye)體(ti)定(ding)向運(yun)輸(shu)。隨(sui)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張力(li)從低到高（22-72 mN/m），液(ye)體(ti)呈現出五(wu)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)輸(shu)模式(shi)（I至Ⅴ）。研究人員利用水-乙醇溶液(ye)對這五(wu)種(zhong)模式(shi)下液(ye)體(ti)沿(yan)x軸和y軸方(fang)向上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)輸(shu)行為進(jin)行力(li)學分(fen)析（圖2）。表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張力(li)較低的(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)體(ti)對界(jie)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)潤(run)濕性較高，因此(ci)主要(yao)在(zai)單(dan)元底部曲率(lv)結(jie)構作用下，沿(yan)拉普拉斯(si)壓(ya)差較低的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)向運(yun)輸(shu)；而表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張力(li)較高的(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)體(ti)會(hui)在(zai)結(jie)構化(hua)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)上(shang)積累，其運(yun)輸(shu)方(fang)向由單(dan)元頂部曲率(lv)調控。

圖2：注入液(ye)體(ti)在表(biao)面上的多向運輸機制(zhi)及拓(tuo)展(zhan)。

自適應液體電路

結構(gou)化表(biao)面(mian)可根據液(ye)體表(biao)面(mian)張(zhang)力控(kong)制不同的(de)運輸方(fang)向(xiang)，從(cong)而(er)僅用一塊表(biao)面(mian)即可構(gou)建自(zi)適應(ying)液(ye)體特性的(de)多路(lu)徑電(dian)路(lu)，而(er)無需(xu)組裝復(fu)雜的(de)液(ye)體控(kong)制模塊。如圖3所示，通(tong)過使(shi)用特定(ding)表(biao)面(mian)張(zhang)力的(de)導(dao)電(dian)液(ye)體，能在該(gai)表(biao)面(mian)上(shang)選擇性點亮目標LED燈，從(cong)而(er)簡(jian)化了(le)復(fu)雜電(dian)路(lu)的(de)構(gou)建。

便攜式表面張力指示(shi)器

結構化(hua)(hua)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)使不同表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張力的液體(ti)(ti)呈(cheng)現肉眼(yan)可(ke)分的特定鋪展形態。因此，只需(xu)將液體(ti)(ti)用滴(di)管注入結構化(hua)(hua)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)，就(jiu)可(ke)根據(ju)其鋪展方向(xiang)推斷液體(ti)(ti)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張力范圍，而無需(xu)使用任何昂貴的定量(liang)檢測儀(yi)器。研究人員(yuan)開發出一(yi)系(xi)列有不同單元高度的結構化(hua)(hua)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)來細化(hua)(hua)可(ke)識別的表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張力分區，以提高指示精度（圖3）。

 圖3：自適應(ying)液體電路和(he)便攜式表面(mian)張(zhang)力指(zhi)示。

智能液體調控實現按需熱管理

在(zai)(zai)(zai)熱交換應用中(zhong)，溫度導致(zhi)的液體(ti)性質(zhi)變(bian)(bian)化(hua)是(shi)一個廣泛存(cun)在(zai)(zai)(zai)的現象，給傳統(tong)的液體(ti)操(cao)縱表面在(zai)(zai)(zai)高溫環境下的應用帶來了(le)挑戰。本研究提出的結構化(hua)表面能(neng)在(zai)(zai)(zai)高溫環境下有效維持對(dui)液體(ti)的定向(xiang)運(yun)輸(shu)。并在(zai)(zai)(zai)高溫導致(zhi)的液體(ti)表面張力變(bian)(bian)化(hua)下，完成了(le)在(zai)(zai)(zai)持續變(bian)(bian)溫表面上對(dui)液體(ti)運(yun)輸(shu)方向(xiang)的智能(neng)調控，和(he)在(zai)(zai)(zai)恒溫加熱表面上時空可控的靶向(xiang)冷卻（圖4）。這種基于溫度調控液體(ti)性質(zhi)的智能(neng)液體(ti)運(yun)輸(shu)能(neng)力，為按需熱管(guan)理提供了(le)新的解決方案。

圖4：高溫表面上的動態液體運輸控制和時(shi)空可控的靶向冷卻。