香港大学Alan C. H. Tsang团队《ACS Nano》: 开创智能液体操控新认知

结构化表面通过界面能实现无外部力驱动的定向液体操控，在微流控、绿色能源和生物医学等领域中展现出巨大的应用潜力。虽然固体表面与液体之间的界面能相互作用对液体操控至关重要，但目前对如何平衡液固界面能以影响多样化液体行为的系统理解仍然不足。这种理论研究的滞后性限制了高效液体操控系统的设计和优化能力。因此，对其深入研究具有重要的理论指导和实际应用意义。

近日，香港大学机械工程系的Alan C. H. Tsang教授团队通过曲率棘轮表面作为示例，揭示了精细液固界面能调控下的复杂定向液体动力学。团队使用摩方精密microArch® S240（精度：10 μm）3D打印系统制备了结构化表面。曲率和倾斜的双重特征调节了拉普拉斯压力的不对称性，从而实现了定向、双向和反向的灵活液体操控（图1）。这些过程可以通过控制固体表面的自由能和液体的表面张力进行调节，其比率被定义为一个新的无量纲数ζ，用以表征液固界面能关系。研究发现，当ζ ∼ 1时，液体控制达到平衡，这种状态能够促进多种液体行为。通过匹配界面结构设计和适当的液固界面能关系（即ζ值），能有效推动智能液体操控概念的实现。这一新准则也启发了一种基于液体的信息加密技术，其中液体仅在指定的ζ值区间内，才能在预编程的结构表面上显示正确的信息，从而进一步拓宽了相关应用领域的边界。

相关研究以“Smart Directional Liquid Manipulation on Curvature-Ratchet Surfaces”为题发表在学术期刊《ACS Nano》上，香港大学机械系博士研究生苗佳麒为本文第一作者，Alan C. H. Tsang教授为本文通讯作者，香港大学为该论文的唯一通信单位。

图1. 曲率棘轮表面上智能定向液体操控的概览。

图2揭示了基于结构化表面的定向液体动力学调控机制，并探讨了结构参数对不同表面张力液体行为的影响。

图2. 曲率棘轮表面上的定向液体动力学。

研究人员通过对结构化表面进行亲水/疏水处理，探讨了液固界面能关系对液体行为的影响，并将表面对液体行为的控制分为三类：过度控制（ζ ≫ 1）、平衡态（ζ ∼ 1）和控制不足（ζ ≪ 1）。在平衡态下，液固界面能系统保持相对均衡，这有助于结合表面结构设计，实现多样化的智能液体操控（图3）。

图3. 不同液固界面能系统下的三类液体控制区间。

为了展示综合考虑表面结构设计与液固界面能关系所促进的智能液体操控新认知，研究人员采用了三类不用的表面设计，展示了丰富的液体行为，包括扇形扩散、梯度间隔诱导的重定向和往复换向传输（图4）。无一例外地，这些行为的出现都基于特定结构与合适液固界面能关系（即ζ值）的匹配。

图4. 不同表面阵列结构上的丰富液体行为。

研究团队基于提出的智能液体操控概念，拓展了基于液体的信息加密技术（图5）。具体而言，信息被编码在结构化设计中，而匹配的液固界面能关系（ζ值）则作为解密的钥匙，用于解码不同的信息（如数字、图案等）。

图5. 基于液体的信息加密技术。

在这项工作中，研究人员捕捉到了由于液固界面能系统的细微变化而引起的相同表面设计下不同的液体动力学。这一发现有望解决长期以来对固定表面上单调液体行为的批评，增强其作为解决未来实际应用挑战的可行性。研究确定的平衡控制区间（ζ ∼ 1）适用于在三维表面形貌上的液体操控（如本研究所讨论的曲率棘轮表面）。而在引导具有多级结构的超亲水表面上的二维液体操控时，ζ ≫ 1可能也是合适的控制区间；在异质超疏水结构表面上，ζ ≪ 1区间将有助于操控液滴的弹跳行为，以确保极低的表面自由能不会阻碍预期的液滴弹跳。此外，考虑到具有异常润湿特性的表面时（如同时具有亲水和疏油特性），仅依赖ζ作为标准似乎不足。这些复杂性问题表明，当前亟需发展一套普适性的智能液体操控理论体系，以应对多样化应用场景的需求。

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