香港理工大学王立秋团队《AM》：三维不对称结构化表面实现原位多向液体操控

控制液体的定向运输对于界面工程、微流控技术、强化传热和生化分析等具有重要意义。现有技术能在无外部能量输入条件下实现定向运输液体，但修饰润湿性梯度或结构的表面对液体操控的驱动力常局限在一维方向，限制了液体的运输只能在一维两个方向内调控，而无法实现多向可控运输，在一定程度上制约了液体操控表面功能的进一步开发和应用拓展。

为实现多向调控液体，香港理工大学王立秋教授团队提出了由阵列式三维不对称尖牙结构单元组成的结构化表面，为不同表面张力液体定制运输方向，并呈现出五种新颖的运输模式（图1）。这种智能调控液体的能力源于所设计表面单元自下而上分布的多曲率特征，在三维空间上交替地主导液体表面的局部拉普拉斯压差，从而原位控制不同润湿性液体的多样定向运输模式（视频1）。该表面根据液体特性实施多模式控制的能力使其具备传统结构化表面难以实现的创新功能，如构建自适应液体电路、便携式表面张力指示器、智能调控液体及按需热管理。该研究以“In Situ Multi-Directional Liquid Manipulation Enabled by 3D Asymmetric Fang-Structured Surface”为题发表于《Advanced Materials》，团队博士生孙思琦为论文第一作者，王立秋讲席教授为通讯作者，张艺媛研究助理教授为共同通讯作者。

图1：结构化表面上的多向液体运输行为及潜在应用。

视频1：多向液体运输行为及表面单元的多曲率结构对液体定向运输起主导作用的曲率特征。

原位多模态定向液体操控机制

注入结构化表面的液体首先填充相邻四个单元间的空隙，并在单元的特定曲率结构处形成局部曲率不等的液体弯月面，这导致液体表面不同位置的拉普拉斯压差不同，进而驱动液体定向运输。随表面张力从低到高（22-72 mN/m），液体呈现出五种不同的运输模式（I至Ⅴ）。研究人员利用水-乙醇溶液对这五种模式下液体沿 x轴和 y轴方向上的运输行为进行力学分析（图2）。表面张力较低的液体对界面的润湿性较高，因此主要在单元底部曲率结构作用下，沿拉普拉斯压差较低的方向运输；而表面张力较高的液体会在结构化表面上积累，其运输方向由单元顶部曲率调控。

图2：注入液体在表面上的多向运输机制及拓展。

自适应液体电路

结构化表面可根据液体表面张力控制不同的运输方向，从而仅用一块表面即可构建自适应液体特性的多路径电路，而无需组装复杂的液体控制模块。如图3所示，通过使用特定表面张力的导电液体，能在该表面上选择性点亮目标LED灯，从而简化了复杂电路的构建。

便携式表面张力指示器

结构化表面使不同表面张力的液体呈现肉眼可分的特定铺展形态。因此，只需将液体用滴管注入结构化表面，就可根据其铺展方向推断液体表面张力范围，而无需使用任何昂贵的定量检测仪器。研究人员开发出一系列有不同单元高度的结构化表面来细化可识别的表面张力分区，以提高指示精度（图3）。

图3：自适应液体电路和便携式表面张力指示。

智能液体调控实现按需热管理

在热交换应用中，温度导致的液体性质变化是一个广泛存在的现象，给传统的液体操纵表面在高温环境下的应用带来了挑战。本研究提出的结构化表面能在高温环境下有效维持对液体的定向运输。并在高温导致的液体表面张力变化下，完成了在持续变温表面上对液体运输方向的智能调控，和在恒温加热表面上时空可控的靶向冷却（图4）。这种基于温度调控液体性质的智能液体运输能力，为按需热管理提供了新的解决方案。

图4：高温表面上的动态液体运输控制和时空可控的靶向冷却。

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原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407034

来源：高分子科学前沿

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