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讓水能「逆流而上」的黑科技--「拓撲流體二極管」是怎麼辦到的?

文/陸遙|英國倫敦大學學院(UCL)化學系博士,現為 UCL 機械工程系博士後。研究超疏水多功能材料、固體潤濕性、流變學等。

如果能隨心所欲的控制液體的流動方向又不花費額外能量,將能帶來多大的益處呢?圖/Pixabay

 

電路中的二極管想必大家並不陌生,大名鼎鼎的 LED 就是其中的一種。在二極管中,電流只能朝單方向流動,反向則會被阻斷。但如果我告訴你,流體也有二極管,即液體在一根管子裡只能沿著一個方向定向流動、潤濕,反向則會被阻斷,你或許就要疑惑了,這是怎麼做到的呢?

近日,香港城市大學博士研究生李加乾和中國科學院上海微系統所周曉峰博士在香港城市大學王鑽開教授和美國理海大學(Lehigh University)Manoj K. Chaudhury 教授的指導下,聯合為大家展示了一種通過調整表面微觀形貌,控制液體流向的「拓撲流體二極管」(Topological liquid diode),並在《科學》雜誌的子刊《科學進展》(Science Advances)上發表了他們的研究成果[1]。

讓液體定向流動有什麼用?

「拓撲」一詞由英文 Topology 音譯而來,有研究特定地方地形、地貌的意思 [2]。王鑽開和同事們用拓撲一詞,意在表達通過對材料表面「地形地貌」(即材料表面微觀形貌)的控制,來實現流體的定向移動。

你可能會問,液體定向移動有什麼用?我可以告訴你,如果沒有液體定向移動,地球上很多動植物就都要滅絕。比如沙漠甲蟲,利用背後親水的區域收集水,再利用親水和疏水區域形成的流體通道將收集的水自發定向地運輸到嘴裡[3]。再比如仙人掌,在沙漠中通過刺來收集水氣,收集的水沿著刺的外端自發定向地傳送到仙人掌的身上 [4]。當然,這種例子並不只在沙漠中才有。像豬籠草的「嘴唇」[5] 和蜥蜴的皮膚[6] 也具有類似功能。

自然界中這些自發、定向運輸液體的例子很多都是依靠其精妙的微觀形貌實現的,本文的主角「拓撲流體二極管」也不例外。接下來我就帶大家來揭開拓撲流體二極管這項黑科技神秘的面紗。

沙漠甲殼蟲和仙人掌。圖片來源:參考文獻 [3]

揭開拓樸流體二極管的作用機制

在拓撲流體二極管的製造中,研究團隊用一種特殊的凹槽構建了一個複雜的表面結構(旁白 : 誰能告訴我這麼複雜的結構是怎麼想到的?!)。這個表面的總體結構是一個U型島狀陣列(U-shaped island arrays)。構成陣列的每個U型島內都有一個U型槽,槽的頂端設計了一個凹角結構(re-entrant structures)。這凹角結構可不是為了好看,而是為了改變表面的潤濕性。

掃描電子顯微鏡下流體二極管表面的微觀形貌。總體結構是一個U型島狀陣列,用一個個長方形“柵欄” 圍著這些U型島狀結構(圖A)。構成陣列的U型島狀結構開口處較寬,向內寬度依次遞減,在每個U型島內都有一個U型槽(圖B)。U型槽的頂端還設計了一個凹角結構(圖C)。這凹角結構可不是為了好看​​,而是為了改變表面的潤濕性。圖片來源:參考文獻[1]

根據密西根大學 Anish Tuteja 教授早期的研究[7],這種凹角結構可以不借助任何化學修飾,讓一個親水表面變成疏水表面。那麼,以這種凹角結構可以不借助任何化學修飾,讓一個親水表面變成疏水表面。那麼,以這種凹角結構為基礎的這一系列設計,會達到什麼效果呢?當水滴滴在該表面上時,這滴水並不會像生活中常見的那樣向四處無序地舖展,而是會沿著單一方向鋪展開來。儘管在相反的方向上也會有較小程度的潤濕,但這種潤濕很快就被流體二極管截斷了。

不止是水,作者還嘗試了乙醇、甘醇(乙二醇)等其他表面張力、密度、潤濕性各不相同的液體,發現這些液體在流體二極管上也有類似現象。這證明,流體二極管具有普遍適用性。

水滴在流體二極管結構上的單向潤濕現象。圖片來源:參考文獻[1]

水滴在流體二極管結構上的單向潤濕現象。動圖來源:參考文獻[1]

不但是科技的躍進,也解開物理學十多年的謎題

可別小看流體二極管的設計,它解決了一個物理學中十多年來都很難解釋的現象。早在2005年,Manoj K. Chaudhury和 Ankur Chaudhury 教授發現,在一個有水滴線性排列的疏水表面上,油在初始狀態時擴展的很慢。但當油逐漸積累、連在一起並覆蓋水滴的時候,油就擴展的很快[8]。這就好比在一個僅一人能通過的胡同(疏水表面)裡,橫著幾座矮牆(水滴),想要過胡同必須要翻牆。最先爬牆的人(油)比較費力,但是當爬過去的人多了,有一部分人就會留在牆根底下幫助其他人,這樣後來的人爬牆就比較容易了。

儘管此後有一些研究試圖解釋這個現象,但對於油如何突破、克服初始階段緩慢擴展的屏障,並沒有人能給出答案,因此這也成了一個懸而未決的謎,直到最近這份研究的問世。

油在水滴線性陣列中的慢跑與快跑現象。圖片來源:參考文獻[8]

在研究流體二極管中液體的定向流動時,作者發現一個前驅的液體膜起著關鍵性的作用——後續的液體更願意沿著「前人」的足跡前進,先鋒部隊拉動大部隊前進。那麼這個前驅液體膜又是怎麼來的呢?這要歸結於一種叫角流動的現象(corner flow)[9]。用太空人喝咖啡——準確來說是吸咖啡——舉個例子。在太空中失重的條件下,液體的流動是自由無序的。但由於角流動效應的存在,液體更加傾向於沿著杯壁走。

太空人在失重條件下吸咖啡,由於角流動效應,水沿著杯壁流動而非無序飄散。圖片來源:NASA

在拓撲流體二極管中,會有一部分液體優先沿著柵欄的側壁流動,這部分液體抄小路鋪展,因此跑的較快,成為「先鋒部隊」。

拓撲流體二極管的潤濕過程。首先,先鋒部隊超兩邊小路進發,然後,大部隊趕到,與先鋒部隊匯合。緊接著,先鋒部隊再優先潤濕下一個U型島狀結構。動圖來源:參考文獻[1]

這些「先鋒部隊」會優先「抄小路」從兩邊進入到流體二極管的 U 型槽中,形成前驅液體膜,但並不會超過凹角結構的高度。隨後而來的「大部隊」會被凹角結構所阻隔,堆積在 U 型槽裡。當被阻隔的「大部隊」液體積累到一定量時,會突破凹角結構的束縛,並與前驅液匯合,然後,就會發生「水躍現象」(hydraulic jump),「跳過」U 型島障礙,向前流動。所以從整體來看,液體在拓撲流體二極管裡的流動過程並不是連續的,而是像跨欄一樣「一跳一跳」地前進。

高速攝像機下的水躍現象。拓撲流體二極管的正向潤濕依次經過阻隔、合併和水躍過程。動圖來源:參考文獻[1]

流體二極管的側面剖視圖。前驅液膜在流體二極管中對後續液體的正向引導機理。前驅液體(淺藍色)會優先進入到U型槽裡,在前驅液膜的引導下,水的流動依次經過阻隔(pinning),合併(coalescence)和水躍的過程,使水得以快速地向前流動。圖片來源:參考文獻[1]

 

流體二極管的正向始終處於「導通」狀態,那麼它反向的「阻斷」狀態又是怎麼來的呢?原因還要從表面結構上找。當液體嘗試在流體二極管中反向流動的時候,被凹角結構攔住的液體「大部隊」會從上方潤濕凹角結構,凹角結構擋住了下方的「前驅液膜」,形成凹角阻隔(re-entrant pinning),這樣,後續的液體「大部隊」沒法跟前驅液膜合併,也就不能順利前進了。

流體二極管中微觀結構對後續液體的反向阻斷機理。凹角結構擋住了液體“大部隊”與前驅液膜的合併,阻止了液體的流動。圖片來源:參考文獻[1]

控制液體的單向流動,甚至能克服重力!

儘管壓力大到一定程度的時候,液體仍然會突破凹角結構,但由於流體二極管正向「導通」狀態非常好,使得液體都願意往正向跑,因此反向的壓力很難增加到突破凹角結構的程度,就這樣,反向的「生意」就都被正向搶跑了,這就促成了液體在流體二極管上的單向流動。

研究人員還將流體二極管擺成圓形和螺旋形向大家展示宏觀上,液體自發的、長距離的定向流動現象。更逆天的一點就是,這個傳輸甚至可以克服重力!

液體在圓形和螺旋形流體二極管上的定向流動。動圖來源:參考文獻[1]

那麼流體二極管在實際中會有什麼樣的應用呢?

首先,談到二極管,第一個想到的應該就是邏輯電路了吧。流體二極管可以構建一個個流體的邏輯門,乃至邏輯門陣列——一個流體的「邏輯電路」。這樣的「流體邏輯電路」應用在微流體控制領域,會大大加快製藥、電子冷卻等行業的發展。其次,流體控製或許也可用於散熱。設想一下,如果能讓冷卻液自發地返回到蒸發端,那可以節省多少成本和能量?

再者,這種液體自發運輸或許還可用於航空航天領域。在微重力的條件下,控制流體運動的方嚮往往需要更多的能量輸入,連喝杯咖啡都要“吸”著喝。拓撲流體二極管可以讓太空人在太空中喝到不用「吸」的咖啡!最後,我們來大膽設想一下,由於流體二極管對多種液體/流體的普遍適用性,不妨假設引進其他形式的流體,如磁流體–流體二極管/邏輯門,控制磁流體定向移動,說不定未來又會玩出什麼樣的黑科技!讓我們共同期待這項前沿技術的發展吧!

參考文獻

  • Jiaqian Li, Xiaofeng Zhou, Jing Li, Lufeng Che, Jun Yao, Glen McHale, Manoj K. Chaudhury, Zuankai Wang, Topological liquid diode, Science Advances 2017, DOI: 10.1126/sciadv.aao3530.
  • Topology, Merriam-Webster Dictionary, origin: International Scientific Vocabulary
  • Andrew R. Parker, Chris R. Lawrence, Water capture by a desert beetle,  Nature 2001, 414, 33.
  • Jie Ju, Hao Bai, Yongmei Zheng, Tianyi Zhao, Ruochen Fang, Lei Jiang, Nature Communications 2012, 3, Article number: 1247.
  • Huawei Chen, Pengfei Zhang, Liwen Zhang, Hongliang Liu, Ying Jiang, Deyuan Zhang, Zhiwu Han, Lei Jiang, Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata, Nature 2016, 532, 85.
  • Philipp Comanns, Gerda Buchberger, Andreas Buchsbaum, Richard Baumgartner, Alexander Kogler, Siegfried Bauer, Werner Baumgartner, Directional, passive liquid transport: the Texas horned lizard as a model for a biomimetic ‘liquid diode’, Journal of The Royal Society Interface 2015, 12, 20150415.
  • Anish Tuteja, Wonjae Choi, Minglin Ma, Joseph M. Mabry, Sarah A. Mazzella, Gregory C. Rutledge, Gareth H. McKinley, Robert E. Cohen, Designing Superoleophobic Surfaces, Science 2007, 318, 1618.
  • Manoj K. Chaudhury, Ankur Chaudhury, Super spreading of oil by condensed water drops, Soft Matter 2005, 1, 431.
  • Mark M. Weislogel, Seth Lichter, Capillary flow in an interior corner, Journal of Fluid Mechanics 1998, 373, 349.

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