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好玩,这篇Nature Materials上的水往高处流

2019年07月25日 点击:

“水往低处流”是自然界的普遍现象,这是由于受到重力的作用,使水的重力势能转化为动能而向下运动。在极度超亲水的表面上,在毛细作用下液滴可以自下而上定向自发传输,产生类似于电子二极管的流体二极管行为[参考文献1]。

 

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水往低处流的自然现象。图片来源:BestAnimations

 

然而,许多工程应用都要涉及到类似荷叶的超疏水的表面,在这样的表面上液滴呈现球状,水与固体表面有着非常小的接触面积[参考文献2]。为了实现在疏水表面上自发定向输运,传统的做法是依赖化学或者结构梯度,从而使液滴产生不对称的驱动力,以克服三相接触线钉扎产生的阻力。然而,现有的办法都不可避免的存在传输速度慢或者传输距离短的缺点。尽管借助温度场让液滴维持在莱登夫洛施特(Leidenfrost)状态从而实现液滴的快速运动[参考文献3],但是额外的高温给实际应用带来一定的局限性。

 

因此,如何实现常温环境下液滴的自发,快速和定向传输,甚至能克服重力从下往高处运动,是个悬而未决的挑战。

 

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有鉴于此,电子科技大学邓旭教授与香港城市大学王钻开教授、德国马克斯-普朗克高分子研究所的Hans-JürgenButt教授合作,今日在Nature matierials上报道了在不依靠外部能量供给情况下液滴的快速长距离自驱动传输,液滴甚至能从超疏水表面下端垂直向上迅速爬升。第一作者为电子科技大学基础与前沿研究院博士生孙强强,合作单位还有中国科学技术大学。

 

 

水滴反重力垂直向上传输。图片来源:参考文献[4]

 

水滴反重力悬挂传输。图片来源:参考文献[4]

  

这项研究首次引入电荷梯度的概念,即表面电荷密度梯度 (SCD gradient),通过控制撞击高度的连续变化,打印出具有表面电荷密度梯度的特定路径,进而引导水滴的自推进,成功地实现了液滴的快速、长程、无损失传输。这种室温下类似莱登夫洛施特(Leidenfrost)的传输能以高达1.1 m/s的速度自推进,传输距离理论上无限制。

 

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由可印刷的表面电荷密度梯度介导的液滴输运. 图片来源:参考文献[4]


基于这种表面电荷密度梯度介导的液滴运输,研究人员展示了以水滴作为轮子的小车沿带电路径自推进的过程 (Cargo device)。同时,还发展了基于表面电荷打印方法的无枪头式移液枪(Tiplesspipette),可用于低表面能和高粘度液滴的无损失转移。


 

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无枪头式移液枪的设计应用。图片来源:参考文献[4]

 

本文提出的固液界面接触分离后的滞留电荷,对流体动力学的影响是显而易见的,因为在固液界面的动力学作用中,浸润和带电现象往往是同时存在的。打印表面电荷的方法使我们能够开发新的传感和驱动系统,包括芯片实验室、微流体器件和生物液滴分析装置。液滴打印表面电荷在其他众多领域还具有重要的应用和理论价值,如纳米自组装、影印及静电电化学等领域,同时这有助于加深对接触带电机理的理解。在设计其他多功能表面时,这种疏水表面的电荷效应,也是值得被关注的。

 

作者简介

 

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邓旭,电子科技大学基础与前沿研究院教授。2015年获得青年千人计划支持。马普中德联合界面材料伙伴小组组长。主要从事胶体界面、物理化学、仿生材料等相关研究。承担国际合作专项、国家自然科学基金项目多项,申请欧洲国家发明专利3项,美国发明专利2项。研究成果在Science,Nature Materials, PNAS, Nature communication, Physical Review Letter等国际著名杂志发表文章40余篇。他的科研成果被 NatureNanotechnology,Nature Physics,MIT Technology Review 等多次作为专题报道。

 

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王钻开,香港城市大学机械工程系教授,主要研究领域为仿生机械,表界面热流科学和软物质。通过调控表界面拓扑结构,他提出饼状弹跳,拓扑流体二极管,和水下可逆黏附等一系列原创性概念。已在Nature Physics(2篇),NatureMaterials, Nature Communications(4篇),Science, Science Advances (2篇), National Science Review (2篇), PhysicalReview Letters (2篇)等杂志上发表多篇高水平论文。他的科研成果在Nature,Nature News,NaturePhysics News &Views,New York Times等多次作为专题和封面报道,并入选吉尼斯世界纪录。荣获MRS银奖(2007),教育部长江学者讲座教授(2016),国际仿生工程学会杰出青年奖(2016),上银优秀博士论文奖指导导师奖(2016),香港城市大学杰出研究奖(2017),香港城市大学校长Lectureship(2018),香港青年科学院青年院士(2018),国际文化理事会青年特别嘉奖(2018),国际仿生学会Fellow(2019)。王钻开教授指导的多个博士生获得香港青年科学家奖(2015),MRS银奖(2015),MRS金奖(2016),国家青年千人计划,香港城市大学最佳博士论文奖(2018)。

  

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Hans-JuergenButt教授,德国马普高分子研究所所长,长期从事界面结构与动力学方面的研究,迄今已于Science,Nature, Nature physics ,PRL等各类顶尖期刊发表论文400余篇。海森堡基金及ERC Advanced基金获得者。曾任德国胶体协会主席,现担任国际胶体与界面协会主席。


参考文献:

[1] JiaqianLi, Xiaofeng Zhou, Jing Li, Lufeng Che, Jun Yao, Glen McHale, Manoj Chaudhury,Zuankai Wang. Topological liquid diode. ScienceAdvances, 3, eaao3530 (2017)

[2] Xu Deng,Lena Mammen, Hans-Jürgen Butt, Doris Vollmer. Candle soot as a template for atransparent robust superamphiphobic coating. Science, 335, 67-70. (2012)

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

[4] Qiangqiang Sun, Dehui Wang, Yanan Li, JiahuiZhang, Shuji Ye,Jiaxi Cui, Longquan Chen, Zuankai Wang, Hans-Jürgen Butt, DorisVollmer, Xu Deng. Printing surface charge as a new paradigm to program droplettransport. Nature materials (2019)(DOI: 10.1038/s41563-019-0440-2)

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0440-2