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1804年以来的难题解决了!科学家发明出新材料能“操纵”液体流动方向

前瞻网    2021-10-01 15:50

 

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南洋杉是园林设计中常见的树种,其叶子由众多规律性排列并向叶尖倾斜的棘齿(ratchet,向一个方向倾斜内旋的锯齿结构)组成。其中每个棘齿都有一个尖端,其上表面在横向和纵向均有弯曲,而下表面则相对平坦光滑。

正是受到南洋杉的启发,香港城市大学的科学家发明了一种特殊表面,可以操纵不同液体的流动方向。

“人们一般认为,被倾倒在表面上的液体,倾向于沿表面能(surface energy)降低的方向流动。其流动方向主要取决于表面结构,与表面张力等液体本身的性质无关。”

但研究小组发现,具有不同表面张力的液体会在南洋杉叶上朝向完全相反的方向扩散,这与传统的理解背道而驰。

通过模仿这种自然结构,该团队设计了一种受南洋杉叶启发的表面(Araucaria leaf-inspired surface,ALIS)。

这一表面带有毫米级别的 3D 棘齿,使得液体能在毛细作用带动下向棘齿平面的内外两侧流动。

研究人员利用 3D 打印的聚合物复制了南洋杉叶的物理特性,并发现棘齿的结构和大小对实现液体流转方向的控制至关重要,尤其是棘齿尖端的内凹结构、尖端间距以及棘齿的倾斜角度。

“我们首次实现了不同液体在同一表面的定向传输,成功解决了自 1804 年以来存在于表面和界面科学领域的一个难题,”

“新型毛细管棘轮的合理设计使液体能够根据其表面张力和表面结构之间的相互作用‘决定’其扩散方向。能观察到各种液体往不同方向的流动就像一个奇迹,这是科学界首个有记录的观测结果。”

研究成果以题为“三维毛细棘齿诱导的液体流转方向控制(Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering)”发表在《科学》(Science)上。

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责任编辑: 3976DBC

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