香港城市大学王钻开课题组Science Advances: 拓扑流体二极管

【引言】

液体定向自输运在能源、微流体、油水分离和水收集等领域都有重要的应用。常规的液体单向输运都需要通过外界能量的输入来打破液体流动的对称性和克服结构表面缺陷造成的扎钉效应。自然界中存在许多动植物，比如猪笼草、仙人掌、沙漠甲虫和蜥蜴，他们可以巧妙地依靠自身表面的特殊微结构来控制液滴的定向运动，从而在恶劣环境下生存。然而，实际工程应用工况复杂，涉及到复杂界面和多相变过程。这样，如何开发能够超越大自然并能在广谱温度场区间实现定向无源自驱动、长距离输运的人工材料体系是目前面临的主要挑战。

在纵向方向的液滴自输运这一研究领域，一个关键的科学与工程问题是如何设计与开发新型仿生材料来打破固液界面固有的动态接触时间的物理极限。传统的超浸润材料（荷叶效应）主要基于微纳米结构，而且机械性能脆弱，户外耐候性、化学稳定性和耐湿热性能差，且难于加工。王钻开团队发展了基于亚毫米尺度的非常规超浸润体系，在国际上首次发现超疏水表面的液滴饼状弹跳现象，建立液滴运动的动力学模型，揭示碰撞液滴无收缩弹离机制，颠覆了130年来人们对于固液界面动态接触的常规认识。基于该模型设计制备了各种亚毫米非常规超浸润表面，将液滴与超浸润表面的接触时间的物理极限缩短了80%（Nature Physics，2014， 10， 519， 参考文献[1]）。该工作也在Nature Physics作为亮点报道。另外，基于玉莲花表面弧度结构这一启发，开发了波浪形毫米级可变弧度仿生超浸润表面，提出了超浸润表面液滴非对称弹跳理论，将固液接触时间的理论极限缩短40%以上（Nature Communications，2015，6, 10034，参考文献[2]）。同时，将荷叶效应和猪笼草效应有机的结合，揭示了液体薄膜上类荷叶效应的物理机理（Nature Communications，2015， 6, 10034，参考文献[3]），为开发非常规超浸润表面提供了新的思路。

在横向方向的液滴自驱动输运这一研究领域，王钻开团队系统研究了如何通过控制表面浸润性和图案化来实现液滴在复杂工况下的传输和能量转换。在低温下，他们提出同步强化膜状和滴状冷凝的策略，成功开发出亲疏混杂微纳米结构，同步加速液滴的形成和自驱离，大幅提高表面传热效率（Advanced Functional Materials，2011，21， 4617， 封面，参考文献[4]；ACS Nano，2015， 9， 71，封面，参考文献[5]）。其中发在Advanced Functional Materials上的工作被Nature Physics的编辑评论为表面工程领域长期以来最有创意的研究工作。在高温下，针对高温条件由于莱顿弗罗斯特现象导致的低传热效率问题，巧妙设计了非对称表面结构，利用表面结构和温度双向调控，诱导液滴转移到换热效率高的区域，避免出现传热中的沸腾危机（Nature Physics，2016， 12， 606，参考文献[6]）。在常温下，基于含羞草自折叠效应，开发了无源自驱动薄膜，液体能迅速单方向快速铺展（Science Advances，2016， 2，e1600417，参考文献[7]），该工作被Nature和Nature Physics作为研究亮点报道。

【成果简介】

近日，香港城市大学王钻开课题组在微纳米仿生表面液体驱动领域取得突破性进展。该研究成果以“Topological liquid diode”（拓扑流体二极管）为标题于2017年10月27日发表在Science子刊Science Advances （2017， 3, eaao3530，参考文献[8]）。香港城市大学为第一完成单位，合作单位有中科院上海微系统与信息技术研究所、中国石油大学（华东）、英国诺桑比亚大学和美国里海大学。香港城市大学王钻开副教授与美国里海大学Manoj K. Chaudhury教授为论文的通讯作者。除了在非常规超浸润材料体系与液体自输运等机械仿生领域取得了一系列进展之外，王钻开研究小组也在抗结冰、防污、表面黏附等领域开展了一系列研究。

【本文亮点】

为实现流体的长距离、定向、自驱动传输，我们引入了拓扑流体二极管的概念。通过设计独特的微纳米结构，减少一个方向的流阻，同时增加反方向的流阻，两者之间完美结合而互不干扰，实现了长距离的液体自驱动传输。该流体二极管突破了以往浸润梯度驱动的传输长度限制和不对称结构驱动的铺展速度限制，极大的提高了液体定向传输的效率。该流体二极管具有广泛的普遍性和稳定性，可以传输性质各异的液体（低表面能液体和高粘性液体），可以沿着不同路径传输液体，可以克服重力传输液体，甚至可以克服温度梯度传输。如此优越的性能使得其在传热传质、多相流、水收集、液体传输、微流体、生物医药、电子冷却等领域有着巨大的应用前景。

【图文导读】

图1：流体二极管的设计和表征

(A) 流体二极管的电镜图片

(B) 微结构的电镜图片

(C) 微结构上内沿的“蘑菇头”结构

(D) 单个液滴在流体二极管上的单向传输

(E) 不同性质液体在流体二极管上的传输机制

(F) 处理后的不同性质液体在流体二极管上的传输机制

图2：流体二极管的微观铺展机制

(A) 前驱膜的铺展过程

(B) 边通道内的夹角毛细效应

(C) 液滴主体的铺展过程

(D) 液滴主体铺展的过程示意图

图3：流体二极管的扎钉机制和对比试验

(A) 流体二极管液体扎钉的电镜图片

(B) 流体二极管液体扎钉的过程示意图

(C) 无“蘑菇头”微结构的表面液体扎钉打破的电镜图片

(D) 两个方向的流体阻力

(E) 不同微结构腔室大小对流体二极管的影响

(F) 流体二极管与对比试验

图4：流体二极管的通用性

(A) 流体二极管与已有液体自驱动表面的对比

(B) 流体二极管克服温度梯度定向传输液体

(C) 流体二极管传输不同性质的液体

(D) 流体二极管在不同路径上传输液体

参考文献：

[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)

本文由香港城市大学王钻开课题组投稿。

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