城市大學(xué)(城大)的科學(xué)家受一種樹(shù)葉的啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)沉積在同一表面的不同液體的擴(kuò)散方向是可以控制的，解決了一個(gè)已經(jīng)存在了兩個(gè)多世紀(jì)的挑戰(zhàn)。這一突破可能會(huì)引發(fā)使用 3D 表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能液體操縱的新浪潮，對(duì)各種科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用(例如流體設(shè)計(jì)和傳熱增強(qiáng))具有深遠(yuǎn)的影響。
在城大機(jī)械工程系講座教授王鉆凱教授的帶領(lǐng)下，研究小組發(fā)現(xiàn)南洋杉葉意外的液體傳輸行為為液體定向轉(zhuǎn)向提供了一個(gè)令人興奮的原型，推動(dòng)了液體運(yùn)輸?shù)那把?。他們的研究結(jié)果以“三維毛細(xì)管棘輪誘導(dǎo)的液體定向轉(zhuǎn)向”為題發(fā)表在著名的科學(xué)雜志《科學(xué)》上。
南洋杉是一種在園林設(shè)計(jì)中很受歡迎的樹(shù)種。它的葉子由周期性排列的棘輪組成，棘輪向葉尖傾斜。每個(gè)棘輪都有一個(gè)尖端，在其上表面具有橫向和縱向彎曲，以及相對(duì)平坦、光滑的底表面。當(dāng)研究小組成員馮世樂(lè)博士參觀一個(gè)種植南洋杉的主題公園時(shí)，葉子的特殊表面結(jié)構(gòu)引起了他的注意。
特殊的葉片結(jié)構(gòu)使液體可以向不同方向擴(kuò)散
“傳統(tǒng)的理解是，沉積在表面上的液體傾向于向降低表面能的方向移動(dòng)。它的傳輸方向主要由表面結(jié)構(gòu)決定，與液體的特性無(wú)關(guān)，例如表面張力，”教授說(shuō)。王。但研究小組發(fā)現(xiàn)，具有不同表面張力的液體在南洋杉葉上的擴(kuò)散方向相反，與傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)形成鮮明對(duì)比。
通過(guò)模仿其自然結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種受南洋杉葉啟發(fā)的表面 (ALIS)，具有毫米大小的 3D 棘輪，使液體能夠在表面平面內(nèi)外進(jìn)行芯吸(即通過(guò)毛細(xì)作用移動(dòng))。他們用聚合物的 3D 打印復(fù)制了葉子的物理特性。他們發(fā)現(xiàn)棘輪的結(jié)構(gòu)和尺寸，尤其是棘輪尖端的凹入結(jié)構(gòu)、棘輪的尖端間距和棘輪的傾斜角度，對(duì)液體方向轉(zhuǎn)向至關(guān)重要。
對(duì)于具有高表面張力的液體，如水，研究小組發(fā)現(xiàn)液體的一個(gè)前沿被“固定”在 3D 棘輪的尖端。由于棘輪的尖端間距與液體的毛細(xì)管長(zhǎng)度(毫米)相當(dāng)，因此液體可以逆著棘輪傾斜方向倒流。相反，對(duì)于低表面張力的液體，如乙醇，表面張力起到驅(qū)動(dòng)力的作用，使液體沿棘輪傾斜方向向前移動(dòng)。
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