控制液體的定向運輸對于界面工程、微流控技術、強化傳熱和生化分析等具有重要意義。現(xiàn)有技術能在無外部能量輸入條件下實現(xiàn)定向運輸液體，但修飾潤濕性梯度或結構的表面對液體操控的驅(qū)動力常局限在一維方向，限制了液體的運輸只能在一維兩個方向內(nèi)調(diào)控，而無法實現(xiàn)多向可控運輸，在一定程度上制約了液體操控表面功能的進一步開發(fā)和應用拓展。

為實現(xiàn)多向調(diào)控液體，香港理工大學王立秋教授團隊提出了由陣列式三維不對稱尖牙結構單元組成的結構化表面，為不同表面張力液體定制運輸方向，并呈現(xiàn)出五種新穎的運輸模式（圖1）。這種智能調(diào)控液體的能力源于所設計表面單元自下而上分布的多曲率特征，在三維空間上交替地主導液體表面的局部拉普拉斯壓差，從而原位控制不同潤濕性液體的多樣定向運輸模式。該表面根據(jù)液體特性實施多模式控制的能力使其具備傳統(tǒng)結構化表面難以實現(xiàn)的創(chuàng)新功能，如構建自適應液體電路、便攜式表面張力指示器、智能調(diào)控液體及按需熱管理。該研究以“In Situ Multi-Directional Liquid Manipulation Enabled by 3D Asymmetric Fang-Structured Surface”為題發(fā)表于《Advanced Materials》，團隊博士生孫思琦為論文第一作者，王立秋講席教授為通訊作者，張藝媛研究助理教授為共同通訊作者。

圖1：結構化表面上的多向液體運輸行為及潛在應用。

視頻1：多向液體運輸行為及表面單元的多曲率結構對液體定向運輸起主導作用的曲率特征。

原位多模態(tài)定向液體操控機制

注入結構化表面的液體首先填充相鄰四個單元間的空隙，并在單元的特定曲率結構處形成局部曲率不等的液體彎月面，這導致液體表面不同位置的拉普拉斯壓差不同，進而驅(qū)動液體定向運輸。隨表面張力從低到高（22-72 mN/m），液體呈現(xiàn)出五種不同的運輸模式（I至Ⅴ）。研究人員利用水-乙醇溶液對這五種模式下液體沿x軸和y軸方向上的運輸行為進行力學分析（圖2）。表面張力較低的液體對界面的潤濕性較高，因此主要在單元底部曲率結構作用下，沿拉普拉斯壓差較低的方向運輸；而表面張力較高的液體會在結構化表面上積累，其運輸方向由單元頂部曲率調(diào)控。

圖2：注入液體在表面上的多向運輸機制及拓展。

自適應液體電路

結構化表面可根據(jù)液體表面張力控制不同的運輸方向，從而僅用一塊表面即可構建自適應液體特性的多路徑電路，而無需組裝復雜的液體控制模塊。如圖3所示，通過使用特定表面張力的導電液體，能在該表面上選擇性點亮目標LED燈，從而簡化了復雜電路的構建。

便攜式表面張力指示器

結構化表面使不同表面張力的液體呈現(xiàn)肉眼可分的特定鋪展形態(tài)。因此，只需將液體用滴管注入結構化表面，就可根據(jù)其鋪展方向推斷液體表面張力范圍，而無需使用任何昂貴的定量檢測儀器。研究人員開發(fā)出一系列有不同單元高度的結構化表面來細化可識別的表面張力分區(qū)，以提高指示精度（圖3）。

圖3：自適應液體電路和便攜式表面張力指示。

智能液體調(diào)控實現(xiàn)按需熱管理

在熱交換應用中，溫度導致的液體性質(zhì)變化是一個廣泛存在的現(xiàn)象，給傳統(tǒng)的液體操縱表面在高溫環(huán)境下的應用帶來了挑戰(zhàn)。本研究提出的結構化表面能在高溫環(huán)境下有效維持對液體的定向運輸。并在高溫導致的液體表面張力變化下，完成了在持續(xù)變溫表面上對液體運輸方向的智能調(diào)控，和在恒溫加熱表面上時空可控的靶向冷卻（圖4）。這種基于溫度調(diào)控液體性質(zhì)的智能液體運輸能力，為按需熱管理提供了新的解決方案。

圖4：高溫表面上的動態(tài)液體運輸控制和時空可控的靶向冷卻。