南洋杉叶启发一种新表面:不同液体可自发朝不同方向铺展

南洋杉叶有一种令人惊讶的特性:在叶子表面倒水,水会朝一个方向铺开;如果倒酒精,则朝另一个方向铺开。
这种特性被科学家发现,并模仿开发了一种可以引导不同液体往不同方向流动的三维表面。
这一发现打破了两百多年来,表面科学领域认为液体在材料表面上的铺展方向主要取决于表面本身的性质而非液体性质(表面张力)的常规认识。并将掀起研究三维表面结构来智能调控液体流动的新浪潮,并对新型流控技术、强化传热等不同的科学及工业应用产生深远的影响。
“到目前为止,同一个表面上不同液体的铺展方向一样。比如,水往右,酒精也往右。”此项研究的领导者、香港城市大学机械工程系教授王钻开接受骚鸭资讯(www.saoyaAV.com)记者采访时表示,“我们首次发现,同一表面上不同液体的铺展方向可以是不同的。”
研究成果于9月17日以《Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering》(三维毛细锯齿引导的液体自主择向)为题发表在国际知名学术期刊《Science》上。 公园中南洋杉叶的启发
王钻开介绍道,水在亲水的材料上会铺开,铺开的指标包括铺展的方向和速度。比如,在玻璃(亲水)上垂直滴水,水会朝着各个方向对称地铺展,呈现圆形。
而此项研究则回答了铺展的方向调控问题。
“过去200年,研究者普遍认为液体的流向受表面性质决定。”王钻开表示,“我们以前一直在想如何实现一个表面上不同液体向不同的方向流动。其中的关键是液体表面张力。表面张力是液体的核心性质,就像人有不同的DNA,水表面张力较大,酒精表面张力较小。”
当研究小组成员冯诗乐(现大连理工大学副教授)参观香港一个种有南洋杉的公园时,其叶子的特殊结构引起了他的注意。
南洋杉形态优美,是我国南方常见的公园树种。其锯齿状的叶片顺着叶尖的方向倾斜生长并呈周期性排列。每片“锯齿”都有一个尖端,锯齿的表面稍为突起有弧度,底部则相对平坦光滑。“我的学生发现了独特的南洋杉,并将其带回来做实验,发现不同液体在上面的铺展方向不一样。我们开始进行仿生,还原它的结构。”王钻开表示。
南洋杉叶具有典型的亲水性。当在南洋杉叶上连续注入水和酒精时(流速为 3 ml/s),研究者发现酒精沿锯齿倾斜方向扩展,而水以相反的方向扩展。
他们发现,锯齿的结构和尺寸,特别是锯齿尖端向内弯的勾状结构、锯齿尖端彼此间的距离、以及锯齿的倾斜角度,都对控制液体流向十分重要。
水的表面张力较高,其表面张力会将液体“钉住”在 3D 锯齿的尖端。而由于锯齿尖端的间距与液体的毛细长度(以毫米计)相若,液体可以逆锯齿倾斜的方向向后倒流。相反,如酒精等表面张力低的液体,表面张力则成为了驱动力,令液体顺着锯齿倾斜的方向向前流动。
而水和酒精的混合物在表面的铺展方向根据酒精浓度的不同有所差异。酒精含量小于10% 时会逆着锯齿倾斜方向向后铺展,而酒精含量大于40%时则向锯齿倾斜方向铺展(在铺展的早期沿不对称的锯齿轻微回流)。酒精含量处于10%到40%之间的混合物同时双向铺展。 仿南洋杉叶片结构的功能表面
通过模仿南洋杉叶片的自然结构,研究团队设计出一款具有亚毫米级三维锯齿的仿南洋杉叶片结构的功能表面(Araucaria leaf-inspired surface,简称 ALIS)。
南洋杉的毫米级的三维锯齿,令液体在其表面上会受毛细力作用而流动。研究团队使用聚合物为材料,通过3D打印复制了南洋杉叶的物理性质。
团队还发现,三维毛细锯齿的倾斜方向,可以促进或抑制液体传输。当团队将ALIS仿生表面垂直插入装有酒精的器皿中,并保持锯齿尖端朝上倾斜时,酒精的毛细上升量(capillary rise)显得更高和更快;相反,保持锯齿尖端朝下,毛细上升量则较低也更慢。“把海绵放在水上,海绵会吸水,这就是毛细现象。海绵中,水会往各个方向走,而我们的结构可以让水只向一个方向走,并实现非常快的铺展速度。”王钻开强调,这是很神奇的,而且这一结构是亚毫米级的“下里巴人”。
“学界都说大的机械结构是‘下里巴人’,大家都喜欢‘阳春白雪’的纳米结构。神奇的是,这样一个下里巴人,它展现的液体的扩展速度,比带有纳米、微米结构的表面更快。大自然的确很美妙。”
这一发现可为智能引导液体传输提供有效策略,并为由结构诱导的液体传输和新兴应用开辟新的途径,例如新型流控技术设计、可应用于电子或电脑零件散热的强化传热、智能液体分类等。
王钻开总结道:“我们的新型液体定向传输技术有多种优势,例如能够在可控、无需借助外力的情况下,作快速兼远距离的传输,而且ALIS功能表面并不牵涉复杂的微/纳米结构,易于制作。”
提及此项工作最大的挑战,王钻开表示,找到南洋杉叶这种合适的结构是最困难的,而“材料制作非常简单,打印一下分分钟就能完成”。
“我们已经仿了大自然中很多,如荷叶、猪笼草、蚂蚁等,每一种动植物都有自己的专长,没有一个可以解决所有问题。正好,南洋杉叶的结构能解决我们领域的这个问题。”
关于此项研究的下一步工作,王钻开表示会探索仿南洋杉叶功能表面的应用,包括热管散热、防伪等。

骚鸭资讯全部来源于网络,请注意识别,谨防上当受骗。


骚鸭AV,关注天下事(saoyaav.com)