香港大學Alan C. H. Tsang團隊《ACS Nano》: 開創(chuàng)智能液體操控新認知

結(jié)構(gòu)化表面通過界面能實現(xiàn)無外部力驅(qū)動的定向液體操控，在微流控、綠色能源和生物醫(yī)學等領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。雖然固體表面與液體之間的界面能相互作用對液體操控至關(guān)重要，但目前對如何平衡液固界面能以影響多樣化液體行為的系統(tǒng)理解仍然不足。這種理論研究的滯后性限制了高效液體操控系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化能力。因此，對其深入研究具有重要的理論指導和實際應(yīng)用意義。

近日，香港大學機械工程系的Alan C. H. Tsang教授團隊通過曲率棘輪表面作為示例，揭示了精細液固界面能調(diào)控下的復雜定向液體動力學。團隊使用摩方精密microArch® S240（精度：10 μm）3D打印系統(tǒng)制備了結(jié)構(gòu)化表面。曲率和傾斜的雙重特征調(diào)節(jié)了拉普拉斯壓力的不對稱性，從而實現(xiàn)了定向、雙向和反向的靈活液體操控（圖1）。這些過程可以通過控制固體表面的自由能和液體的表面張力進行調(diào)節(jié)，其比率被定義為一個新的無量綱數(shù)ζ，用以表征液固界面能關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，當ζ ～ 1時，液體控制達到平衡，這種狀態(tài)能夠促進多種液體行為。通過匹配界面結(jié)構(gòu)設(shè)計和適當?shù)囊汗探缑婺荜P(guān)系（即ζ值），能有效推動智能液體操控概念的實現(xiàn)。這一新準則也啟發(fā)了一種基于液體的信息加密技術(shù)，其中液體僅在特定的ζ值區(qū)間內(nèi)，才能在預編程的結(jié)構(gòu)表面上顯示正確的信息，從而進一步拓寬了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的邊界。

相關(guān)研究以“Smart Directional Liquid Manipulation on Curvature-Ratchet Surfaces"為題發(fā)表在學術(shù)期刊《ACS Nano》上，香港大學機械系博士研究生苗佳麒為本文作者，Alan C. H. Tsang教授為本文通訊作者，香港大學為該論文的通信單位。

圖2揭示了基于結(jié)構(gòu)化表面的定向液體動力學調(diào)控機制，并探討了結(jié)構(gòu)參數(shù)對不同表面張力液體行為的影響。

研究人員通過對結(jié)構(gòu)化表面進行親水/疏水處理，探討了液固界面能關(guān)系對液體行為的影響，并將表面對液體行為的控制分為三類：過度控制（ζ ? 1）、平衡態(tài)（ζ ～ 1）和控制不足（ζ ? 1）。在平衡態(tài)下，液固界面能系統(tǒng)保持相對均衡，這有助于結(jié)合表面結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)多樣化的智能液體操控（圖3）。

為了展示綜合考慮表面結(jié)構(gòu)設(shè)計與液固界面能關(guān)系所促進的智能液體操控新認知，研究人員采用了三類不用的表面設(shè)計，展示了豐富的液體行為，包括扇形擴散、梯度間隔誘導的重定向和往復換向傳輸（圖4）。無一例外地，這些行為的出現(xiàn)都基于特定結(jié)構(gòu)與合適液固界面能關(guān)系（即ζ值）的匹配。

研究團隊基于提出的智能液體操控概念，拓展了基于液體的信息加密技術(shù)（圖5）。具體而言，信息被編碼在結(jié)構(gòu)化設(shè)計中，而匹配的液固界面能關(guān)系（ζ值）則作為解密的鑰匙，用于解碼不同的信息（如數(shù)字、圖案等）。

在這項工作中，研究人員捕捉到了由于液固界面能系統(tǒng)的細微變化而引起的相同表面設(shè)計下不同的液體動力學。這一發(fā)現(xiàn)有望解決長期以來對固定表面上單調(diào)液體行為的批評，增強其作為解決未來實際應(yīng)用挑戰(zhàn)的可行性。研究確定的平衡控制區(qū)間（ζ ～ 1）適用于在三維表面形貌上的液體操控（如本研究所討論的曲率棘輪表面）。而在引導具有多級結(jié)構(gòu)的超親水表面上的二維液體操控時，ζ ? 1可能也是合適的控制區(qū)間；在異質(zhì)超疏水結(jié)構(gòu)表面上，ζ ? 1區(qū)間將有助于操控液滴的彈跳行為，以確保極低的表面自由能不會阻礙預期的液滴彈跳。此外，考慮到具有異常潤濕特性的表面時（如同時具有親水和疏油特性），僅依賴ζ作為標準似乎不足。這些復雜性問題表明，當前亟需發(fā)展一套普適性的智能液體操控理論體系，以應(yīng)對多樣化應(yīng)用場景的需求。