香港城市大學王鉆開課題組Science Advances: 拓撲流體二極管

【引言】

液體定向自輸運在能源、微流體、油水分離和水收集等領域都有重要的應用。常規的液體單向輸運都需要通過外界能量的輸入來打破液體流動的對稱性和克服結構表面缺陷造成的扎釘效應。自然界中存在許多動植物，比如豬籠草、仙人掌、沙漠甲蟲和蜥蜴，他們可以巧妙地依靠自身表面的特殊微結構來控制液滴的定向運動，從而在惡劣環境下生存。然而，實際工程應用工況復雜，涉及到復雜界面和多相變過程。這樣，如何開發能夠超越大自然并能在廣譜溫度場區間實現定向無源自驅動、長距離輸運的人工材料體系是目前面臨的主要挑戰。

在縱向方向的液滴自輸運這一研究領域，一個關鍵的科學與工程問題是如何設計與開發新型仿生材料來打破固液界面固有的動態接觸時間的物理極限。傳統的超浸潤材料（荷葉效應）主要基于微納米結構，而且機械性能脆弱，戶外耐候性、化學穩定性和耐濕熱性能差，且難于加工。王鉆開團隊發展了基于亞毫米尺度的非常規超浸潤體系，在國際上首次發現超疏水表面的液滴餅狀彈跳現象，建立液滴運動的動力學模型，揭示碰撞液滴無收縮彈離機制，顛覆了130年來人們對于固液界面動態接觸的常規認識。基于該模型設計制備了各種亞毫米非常規超浸潤表面，將液滴與超浸潤表面的接觸時間的物理極限縮短了80%（Nature Physics，2014， 10， 519， 參考文獻[1]）。該工作也在Nature Physics作為亮點報道。另外，基于玉蓮花表面弧度結構這一啟發，開發了波浪形毫米級可變弧度仿生超浸潤表面，提出了超浸潤表面液滴非對稱彈跳理論，將固液接觸時間的理論極限縮短40%以上（Nature Communications，2015，6, 10034，參考文獻[2]）。同時，將荷葉效應和豬籠草效應有機的結合，揭示了液體薄膜上類荷葉效應的物理機理（Nature Communications，2015， 6, 10034，參考文獻[3]），為開發非常規超浸潤表面提供了新的思路。

在橫向方向的液滴自驅動輸運這一研究領域，王鉆開團隊系統研究了如何通過控制表面浸潤性和圖案化來實現液滴在復雜工況下的傳輸和能量轉換。在低溫下，他們提出同步強化膜狀和滴狀冷凝的策略，成功開發出親疏混雜微納米結構，同步加速液滴的形成和自驅離，大幅提高表面傳熱效率（Advanced Functional Materials，2011，21， 4617， 封面，參考文獻[4]；ACS Nano，2015， 9， 71，封面，參考文獻[5]）。其中發在Advanced Functional Materials上的工作被Nature Physics的編輯評論為表面工程領域長期以來最有創意的研究工作。在高溫下，針對高溫條件由于萊頓弗羅斯特現象導致的低傳熱效率問題，巧妙設計了非對稱表面結構，利用表面結構和溫度雙向調控，誘導液滴轉移到換熱效率高的區域，避免出現傳熱中的沸騰危機（Nature Physics，2016， 12， 606，參考文獻[6]）。在常溫下，基于含羞草自折疊效應，開發了無源自驅動薄膜，液體能迅速單方向快速鋪展（Science Advances，2016， 2，e1600417，參考文獻[7]），該工作被Nature和Nature Physics作為研究亮點報道。

【成果簡介】

近日，香港城市大學王鉆開課題組在微納米仿生表面液體驅動領域取得突破性進展。該研究成果以“Topological liquid diode”（拓撲流體二極管）為標題于2017年10月27日發表在Science子刊Science Advances （2017， 3, eaao3530，參考文獻[8]）。香港城市大學為第一完成單位，合作單位有中科院上海微系統與信息技術研究所、中國石油大學（華東）、英國諾桑比亞大學和美國里海大學。香港城市大學王鉆開副教授與美國里海大學Manoj K. Chaudhury教授為論文的通訊作者。除了在非常規超浸潤材料體系與液體自輸運等機械仿生領域取得了一系列進展之外，王鉆開研究小組也在抗結冰、防污、表面黏附等領域開展了一系列研究。

【本文亮點】

為實現流體的長距離、定向、自驅動傳輸，我們引入了拓撲流體二極管的概念。通過設計獨特的微納米結構，減少一個方向的流阻，同時增加反方向的流阻，兩者之間完美結合而互不干擾，實現了長距離的液體自驅動傳輸。該流體二極管突破了以往浸潤梯度驅動的傳輸長度限制和不對稱結構驅動的鋪展速度限制，極大的提高了液體定向傳輸的效率。該流體二極管具有廣泛的普遍性和穩定性，可以傳輸性質各異的液體（低表面能液體和高粘性液體），可以沿著不同路徑傳輸液體，可以克服重力傳輸液體，甚至可以克服溫度梯度傳輸。如此優越的性能使得其在傳熱傳質、多相流、水收集、液體傳輸、微流體、生物醫藥、電子冷卻等領域有著巨大的應用前景。

【圖文導讀】

圖1：流體二極管的設計和表征

(A) 流體二極管的電鏡圖片

(B) 微結構的電鏡圖片

(C) 微結構上內沿的“蘑菇頭”結構

(D) 單個液滴在流體二極管上的單向傳輸

(E) 不同性質液體在流體二極管上的傳輸機制

(F) 處理后的不同性質液體在流體二極管上的傳輸機制

圖2：流體二極管的微觀鋪展機制

(A) 前驅膜的鋪展過程

(B) 邊通道內的夾角毛細效應

(C) 液滴主體的鋪展過程

(D) 液滴主體鋪展的過程示意圖

圖3：流體二極管的扎釘機制和對比試驗

(A) 流體二極管液體扎釘的電鏡圖片

(B) 流體二極管液體扎釘的過程示意圖

(C) 無“蘑菇頭”微結構的表面液體扎釘打破的電鏡圖片

(D) 兩個方向的流體阻力

(E) 不同微結構腔室大小對流體二極管的影響

(F) 流體二極管與對比試驗

圖4：流體二極管的通用性

(A) 流體二極管與已有液體自驅動表面的對比

(B) 流體二極管克服溫度梯度定向傳輸液體

(C) 流體二極管傳輸不同性質的液體

(D) 流體二極管在不同路徑上傳輸液體

參考文獻：

[1] Yahua Liu, Lisa Moevius, Xinpeng Xu,Tiezheng Qian, Julia M Yeomans, Zuankai Wang. Pancake bouncing on superhydrophobic surfaces. Nature Physics, 1 0, 515-519 (2014)

[2] Yahua Liu, Matthew Andrew, Jing Li, Julia M Yeomans, Zuankai Wang. Symmetry breaking in droplet bouncing on curved surfaces, Nature Communications, 6, 10034 (2015)

[3] Chonglei Hao, Jing Li, Yuan Liu, Xiaofeng Zhou, Yahua Liu, Rong Liu, Lufeng Che, Wenzhong Zhou, Dong Sun, Lawrence Li, Lei Xu, Zuankai Wang. Superhydrophobic-like tunable droplet bouncing on slippery liquid interfaces. Nature Communications,?6, 7986 (2015)

[4] Xuemei Chen, Jun Wu, Ruiyuan Ma, Meng Hua, Nikhil Koratkar, Shuhuai Yao, Zuankai Wang. " Nanograssed micropyramidal architectures for continuous dropwise condensation". Advanced Functional Materials, 21, 4617 (2011)?

[5] Youmin Hou, Miao Yu, Xuemei Chen, Zuankai Wang, Shuhuai Yao. Recurrent filmwise and dropwise condensation on a beetle mimetic surface. ACS Nano, 9, 71-81 (2015)

[6] William S.Y. Wong, Minfei Li, Vincent S. J. Craig, David R. Nisbet, Zuankai Wang. Antonio Tricoli. Mimosa origami: a nanostructure-enabled directional self-organization regime of materials. Science Advances, 2, e1600417 (2016)

[7] Jing Li, Youmin Hou, Yahua Liu, Chonglei Hao, Minfei Li, Manoj Chaudhury, Shuhuai Yao, Zuankai Wang. Directional transport of high-temperature Janus droplet mediated by structural topography. Nature Physics, 12, 606-612 (2016)

[8] Jiaqian Li, Xiaofeng Zhou, Jing Li, Lufeng Che, Jun Yao, Glen McHale, Manoj Chaudhury, Zuankai Wang. Topological liquid diode, Science Advances, 3, eaao3530 (2017)

本文由香港城市大學王鉆開課題組投稿。

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