結(jié)構(gòu)化表面通過界面能實(shí)現(xiàn)無外部力驅(qū)動(dòng)的定向液體操控，在微流控、綠色能源和生物醫(yī)學(xué)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(jì)和優(yōu)化能力。因此，對其深入研究具有重要的理論指導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用意義。

近日，香港大學(xué)機(jī)械工程系的Alan C. H. Tsang教授團(tuán)隊(duì)通過曲率棘輪表面作為示例，揭示了精細(xì)液固界面能調(diào)控下的復(fù)雜定向液體動(dòng)力學(xué)。團(tuán)隊(duì)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(shí)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(jìn)行調(diào)節(jié)，其比率被定義為一個(gè)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(dāng)ζ ～ 1時(shí)，液體控制達(dá)到平衡，這種狀態(tài)能夠促進(jìn)多種液體行為。通過匹配界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)囊汗探缑婺荜P(guān)系（即ζ值），能有效推動(dòng)智能液體操控概念的實(shí)現(xiàn)。這一新準(zhǔn)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(yù)編程的結(jié)構(gòu)表面上顯示正確的信息，從而進(jìn)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(xué)術(shù)期刊《ACS Nano》上，香港大學(xué)機(jī)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(xué)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(dòng)力學(xué)調(diào)控機(jī)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(jìn)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(jì)，實(shí)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(jì)與液固界面能關(guān)系所促進(jìn)的智能液體操控新認(rèn)知，研究人員采用了三類不用的表面設(shè)計(jì)，展示了豐富的液體行為，包括扇形擴(kuò)散、梯度間隔誘導(dǎo)的重定向和往復(fù)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(tuán)隊(duì)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(jì)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(xiàng)工作中，研究人員捕捉到了由于液固界面能系統(tǒng)的細(xì)微變化而引起的相同表面設(shè)計(jì)下不同的液體動(dòng)力學(xué)。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(qiáng)其作為解決未來實(shí)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(dǎo)具有多級結(jié)構(gòu)的超親水表面上的二維液體操控時(shí)，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(huì)阻礙預(yù)期的液滴彈跳。此外，考慮到具有異常潤濕特性的表面時(shí)（如同時(shí)具有親水和疏油特性），僅依賴ζ作為標(biāo)準(zhǔn)似乎不足。這些復(fù)雜性問題表明，當(dāng)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。