江雷院士、董智超《Sci.Adv》綜述：超潤溼性介面的定向液體動力學

自然界中，蜘蛛絲親水性的仿錘結和仙人掌圓錐形結構的刺可以將空中的微小霧滴定向收集，這種獨特而有趣的動態行為（包括不對稱擴散，穩定滾動，全彈和定向傳輸），為介面的定向液體動力學打開了靈感大門，推動了一系列液體在超溼介面的創新和革命，可以在農業灌溉，潤滑，除霧，微流體操作等多個領域應用。為了提高可控性，研究人員已嘗試使用諸如熱，光，磁場和電場之類的外部場來輔助或實現可控的液體動力學。近年來，新興的定向液體運輸應用取得了長足的發展，但仍然存在一些挑戰。在這個關鍵時期，有必要總結和整理關於超潤溼介面的定向液體動力學的過去研究，這將有效地指導和激發未來更多的突破性成果。近日，

江雷院士、董智超等人

綜述討論並

總結了具有超溼性的自然生物和人造表面上的定向液體動力學領域

，並

提出了一些潛在的策略來構建用於霧氣收集，3D列印，能源裝置，分離，軟機和 感測器裝置，可用於驅動液體傳輸或運動

。最後，作者

對尚待解決的問題和仍然存在的挑戰提出了個人看法，對下一代超潤溼性的仿生人造材料有重要指導意義

。相關工作以“Directional liquid dynamics of interfaces with superwettability”發表在

《Science Advances》

。

方向性液體動力學

自然生物表面上的定向液體動力學

為了在惡劣條件下，沙漠甲蟲會利用背上疏水槽和親水凸起的圖案從空氣中收集霧或水蒸氣。在此過程中，小霧滴首先在非蠟質親水區域上成核，然後形成快速增長的霧滴，並沿著塗有蠟的疏水性斜坡滑落。

在具有周期性化學潤溼梯度的表面上，液體由化學潤溼梯度引起的驅動力FC~W( cosqr−cos qa)移動到具有較高表面能的區域

。與表面化學成分梯度相比，由結構梯度引起的驅動力更為顯著。例如，蜘蛛絲可以將霧從親水的紡錘結打結並運輸到接頭；仙人掌利用莖的圓錐形脊柱移動冷凝水滴以收集水。

這是因為由錐體結構引起的拉普拉斯壓力差定向液體傳輸，

為了實現快速的液體傳輸，除了驅動力外，還應減小阻力（FR）。瓶子草的毛狀體使用獨特的層級手性微通道結構來實現超快速的水傳輸， 輸水速度比仙人掌脊柱上的水流速度快三個數量級。這種差異是因為在三角毛錐周圍，在多個通道內部形成了快速的水薄膜，從而顯著降低了輸送水的運動阻力。與乾燥的表面相比，水傾向於沿著潮溼的表面以更快的速度滑動。除了滴落運動之外，毛細管上升行為還可以觸發連續的水向運動。

定向液體傳輸，

上升過程的物理機制，歸納為“Lucas-Washburn方程”，

。還有許多生物利用其獨特的結構，在

結合了表面張力，粘性阻力，慣性力和重力的相互作用

自穿透效應和由剛度梯度引起的沿單個圓錐體的掃掠效應協同作用

，以防止汙染，保持乾燥和快速行走。。

圖1 生物表面上的液體動力學圖

下，定向排出水

為了實現相關領域中應用的受控且快速的液體定向傳輸，需要執行外部刺激（例如熱，光，磁和電）以觸發液滴運動。具有表面張力場的液體沿其梯度流動，可以透過直接或間接的熱相互作用來建立這種梯度，引起相鄰的液滴自主且有方向地運動。揮發性液滴可以在其自身的蒸氣上方懸浮在溫度比液滴沸點高得多的固體上，因此不對稱結構的棘輪，可以操縱萊頓弗羅斯特液滴的快速運動和定向運輸。

外部場誘導的定向液體動力學梯度

在所有下降運動驅動策略中，磁驅動具有獨特的優點，包括非接觸式實時控制，快速響應，無特定環境要求以及與當前生物醫學技術的出色相容性。設計原理可以擴充套件為兩種不同的類別：將磁性顆粒新增到液滴中；磁場引起的表面變形。通常，一個超順磁性液滴，其本身可以是磁性的，也可以嵌入磁性粒子，可以響應外部磁場而移動。

當光熱效應新增劑改變液體性質時，光熱奈米粒子在光照環境下會產生熱量，將液體轉變為蒸氣引起的表面張力梯度，加速了定向的液體運動，並驅動油在液-液介面處運動。

在交流電場的作用下，帶電的物體可以吸引不帶電的物體在基板表面上移動。透過向液體中新增導電劑或注入電荷可以降低操作的複雜性，從而可以實現液滴的吸引或排斥。

在梯度磁場下，超順磁性液滴被高磁場區域吸引，提供了一種無需使用泵、閥門或微流控容器來操縱和監測小體積液體液滴運動、聚結和疏水錶面分裂。

液滴驅動的物理原理，可以解釋為液滴彎液麵（對於導電液體）或液滴內部的偶極子（在液體中）中的自由電荷上產生的電現象。這些力可以透過在液滴周圍的任意表面上積分麥克斯韋-應力張量

圖2。透過外部刺激操縱液體動力學。

來計算。

超級可溼性現在在眾多應用中扮演著越來越重要的角色。特別是，最近的研究集中在這些材料在霧收集，3D列印，能源裝置，液-液分離，軟機械，感測器等領域的應用。

新興應用

作者綜述中所強調的超級潤溼性系統-控制定向液體動力學是建立在綜合創新的基礎上的，在廣闊的未來前景中，如果能在利用天然生物優良的結構模型的同時，結合介面結構變形和外部激勵，可以在超潤溼性的介面上方便地實現液體定向輸送。各種學科，包括化學、物理、工程和生物學，在液體動力學和超潤溼性的介面領域相互作用，並整合到新的應用裝置中，在農業、工業以及日常生活中有著潛在的應用前景。

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advances。sciencemag。org

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