從材質的角度來解決車子跟房子冬季結冰的問題

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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」。

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。

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。

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！

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.

本文版權屬於果殼網（微信公眾號：Guokr42），原文為〈这个黑科技，终于解决了物理学10多年来悬而未解的迷〉，禁止轉載。如有需要，請聯繫 sns@guokr.com。

文／廖英凱

有用過汽車美容用品店的撥水劑，或是幫愛車做過貴鬆鬆的美容鍍膜嗎？經過處理的表面，不僅看起來更亮晶晶，撥水性也更好，雨水滴到汽車表面時，彷彿流動性變得更好而無法留在表面上，這個現象，似乎也在大自然的蓮葉上有類似的效果。蓮葉上的水珠，總是流動的特別快，而且看起來特別的渾圓，科學家們把這個現象稱之為「蓮花效應」或「蓮葉效應」。

這些具有「蓮花效應」的材質表面，往往有疏水性與自潔性的特性。以蓮花來說，蓮葉的表面上滿布一顆顆5~15微米凸起的表皮細胞，而表皮細胞上又覆蓋一層一顆顆直徑約100nm的蠟質結晶。致使水接觸到葉子上時，因表面張力的原因讓水與葉面的接觸角大於150度而形成水珠，而當葉子有任何傾斜時，水珠就會很快地滾動流掉，並把灰塵髒污帶走，達到「出污泥而不染」的自潔效果。

了解這個大自然的奧秘之後，工研院材化所應用化學研究組黃元昌博士的團隊，正利用這個奧秘，開發出能讓物體表面也能有蓮花效應的神奇塗料。要達到這樣的神奇效果，可以分成奈米結構、微米結構、疏油材質、底膠這四個步驟來解釋。

如同蓮葉表面100奈米大小的蠟質結晶，黃博士是利用矽氧烷類的化合物，這種化合物的結構中含有有矽和氧原子所構成的主鏈結構。將這種化合物以溶凝膠（so-gel）的方式處理，將矽氧烷材料水解再縮合，而製造出直徑100nm以下的奈米顆粒。進一步再將這些奈米尺度的顆粒，聚集改質成直徑2-10微米的微米顆粒，如同蓮葉表面突起的表面細胞一般。

經過一系列的改質後，二氧化矽所形成的奈米微米結構，已可達到如蓮葉般的疏水與自潔效果。類似的技術也開始被應用在歐洲的一些產業上。然而，這樣的成效卻還不足以應付台灣的環境。這是由於我國空氣中的油性髒污較多，而油性粒子對表面的附著力更好。因此，黃博士的團隊，又再合成製造出長度約1-2nm的含氟的分子，並利用自行開發的技術將這些分子整齊排列在微米奈米顆粒的表面。這些經過特殊設計的含氟分子，擁有更低的表面能，可使油滴在塗佈防汙材料的表面後，可達到150的接觸角。

最後一步，要再將這些微米奈米顆粒給想辦法附著於玻璃或建材等地表面，而這需要仰賴底膠的選擇與微米結構的搭配。目前黃博士團隊所製造出的二氧化矽顆粒，由於同時具有微米奈米的結構，因而擁有較高的表面粗糙度。且二氧化矽顆粒也跟所選定的底膠能有結合力較強的化學鍵結。因此，能添加較多的底膠，而與塗佈材質表面結合更緊密且不易脫落。針對不同的塗佈材質，也可以選用不同的底膠與二氧化矽顆粒配方，而有應用於玻璃的透明塗料，或是應用於建材或金屬的半透明樹脂配方。覺得要洗大樓玻璃或屋頂屋簷很麻煩嗎？也許可以考慮看看這個神奇塗料，以後就讓老天爺的雨水幫你洗刷刷囉。

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科學影像 scimage介紹了這則特殊的水滴慢動作攝影：「影片是用10000FPS拍攝的水珠滴落30度斜面的表面上結冰的過程. 在一般的表面, 當水珠攤平的時候就同時結冰了, 在疏水性的表面會在水珠回聚之後才結冰, 如果是超疏水表面水珠就直接彈走不結冰. 這研究展示不同的表面怎麼影響熱傳跟水珠的結冰過程, 以後或許可以用在汽車或是房屋上來控制結冰的程度」。蓮葉之所以出淤泥而不染就是因為具有超疏水性，更多關於「疏水性」的介紹可以參考維基百科或這裡。

科學家報告他們研發並成功測試一種織品塗佈，那將賦予「抗污（stain-resistant）」這個片語新意 — 這種塗佈在擺脫油脂、污垢、強酸與其它污穢黏滑的東西上將扮演一種主動的角色。證明這種塗佈甚至比汽車臘或鐵弗龍更具疏水性（water-repellent）的報告，出現在 ACS 的 Langmuir 期刊中。
Tong Lin 等人解釋，有種稱為「逐層自我組裝（layer-by-layer (LbL) self-assembly）」的方法能為感應器、藥物遞送裝置以及其他眾多產品製造薄膜與塗佈。LbL 交替放下層層帶正電與帶負電的材料，因電荷而黏附在一起。利用這種方法，藉由選擇每一層的組成，為特定應用客製塗佈。缺點：這些多層薄膜並不是很穩定，最終會分離。Lin 與同僚想要開發一種方法，利用紫外光使這些層次穩定，形成「超疏水（superhydrophobic）」塗佈，利用天然的表面力（surface forces）強力排斥水與其它材料。

實驗室測試證明這種新塗佈（施用到棉花織物上），能排斥水、酸、鹼與有機溶劑。此塗佈易經久耐用，經家用洗衣機清洗 50 次以後依然牢附在織物上。當研究者在織物上施用數層這樣的塗佈後，其接觸角（contact angle，疏水性的度量）約 154 度，使其比汽車臘（接觸角 90 度）、鐵弗龍（接觸角 95 度）以及汽車擋風玻璃驅水劑（接觸角 110 度）更能疏水。

原始文獻:Yan Zhao, Zhiguang Xu, Xungai Wang, and Tong Lin
Langmuir, 2012, 28 (15), pp 6328–6335.
doi: 10.1021/la300281q

資料來源:PHYSORG:Beyond stain-resistant: New fabric coating actively shrugs off gunk[April 25, 2012]

轉載自only-perception

科學影像 scimage介紹了這則特殊的水滴慢動作攝影：「影片是用10000FPS拍攝的水珠滴落30度斜面的表面上結冰的過程. 在一般的表面, 當水珠攤平的時候就同時結冰了, 在疏水性的表面會在水珠回聚之後才結冰, 如果是超疏水表面水珠就直接彈走不結冰. 這研究展示不同的表面怎麼影響熱傳跟水珠的結冰過程, 以後或許可以用在汽車或是房屋上來控制結冰的程度」。蓮葉之所以出淤泥而不染就是因為具有超疏水性，更多關於「疏水性」的介紹可以參考維基百科或這裡。