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港大、港理工和山东大学《Science》:仿若绿的选择性定向液体传输

更新时间:2024-06-21      点击次数:310

液体在固体表面的定向传输对许多应用都至关重要,例如生物医学检测、水收集、海水淡化、传热传质等。自然界中的定向传输现象为液体在表界面传输提供了丰富的解决方案。例如,仙人掌将收集的雾汽从刺尖输送到根部;蜘蛛丝将捕获的雾汽从周期性纺锤结输送到关节;蜥蜴通过相互连接的毛细通道将水输送到鼻子;翼状猪笼草利用多尺度结构从唇内边缘向外边缘定向输送花蜜;南洋杉叶利用毛细锯齿效应沿固定方向输送特定液体。


然而,科学家们在这些生物体系中发现,液体传输都具有相同的模式,即一种液体只能沿着固定的方向定向传输。这不禁令我们好奇,自然界是否还存在其他的液体输运模式?探索新颖的液体传输机制,将为定向液体传输的设计提供新的启发和灵感。


近日,香港大学、香港理工大学和山东大学联合研究团队在多肉植物若绿(Crassula muscosa)身上取得了重要发现——液体可以在其茎上沿正反两个方向中任一方向实现定向流动。该研究成果以“Selective directional liquid transport on shoot surfaces of Crassula muscosa"为题,发表在顶级科学期刊《Science》上。香港大学博士生杨玲、博士后李威为论文的共同第一作者,香港理工大学王立秋讲席教授、香港大学尹晓波教授和山东大学李加乾研究员为论文的通讯作者。





若绿(Crassula muscosa)原产于干旱但多雾的南非和纳米比亚地区,它的茎叶很容易被雾汽润湿并捕获雾滴,进而为其生长提供充足的水分。若绿外形美观,清新奇特。抵不住对若绿的喜爱之情,研究人员也亲自养了一盆。在给若绿浇水时,他们发现液体在水平放置的不同若绿茎上,竟然可以选择朝着茎尖或根部这两个截然相反的方向自发地单向运动,这与传统认知中一种液体只能沿固定方向流动的观点大相径庭。


图1 若绿图片。



研究团队报道了这一自然界的选择性定向液体传输现象。通过进一步观察,他们发现这一神奇的现象得益于若绿叶片的不对称折返结构——叶片两端具有不同的折返角,包括朝向茎尖的上折返角(ω1)和朝向根部的下折返角(ω2),从而导致液体弯液面在两个相反方向存在差异,使得液体能够选择性地沿不同方向运动。这一研究成果不仅揭示了大自然中鲜为人知的液体传输机制,也为工程应用中设计更加灵活高效的液体输运系统提供了新的启发和可能。


图2 若绿茎表面的选择性定向液体传输。



为了进一步探索这一选择性定向液体传输现象,研究团队利用3D打印技术制造了一种模仿若绿叶片结构的阵列(Crassula muscosa-inspired arrays , CMIAs)。在具有不同折返角的CMIA I 和CMIA II上,他们观测到滴加的液体分别沿着正负两个相反的方向流动。通过高速相机观察液体流动规律,研究人员提出了一种各向异性弯液面理论模型来解释这一现象。结合实验观测结果,他们利用这一理论揭示了通过调节CMIAs的两个折返角和间距可以精准控制液体的流动方向。受此规律的启发,研究团队进而制作了可通过磁场和机械拉伸精准调控液体流动方向的磁控及柔性CMIAs。这些创新性的CMIAs结构不仅验证了理论模型,也展示了利用结构化表面实现灵活可控液体输运的新途径。


图3 人造CMIAs上的选择性定向液体传输。


图4 理论计算与实验结果解释流向调控规律。


图5 磁场控制和拉伸控制的选择性定向液体传输。

图6 图案化液体定向流动,三通阀控制的液体分配和混合。

总的来说,研究团队成功揭示了若绿植物叶片表面的选择性定向液体传输现象。其关键在于叶片两端存在不对称的折返角度,从而产生异质的液体弯月面轮廓,最终导致液体能够自发选择性地沿正负两个相反方向进行定向传输。这一令人瞩目的发现,激发了研究人员设计可实时切换液体传输方向的新结构。这些创新成果不仅展示了可重构的液体传输、智能的传输方向调节, 还实现了自发和长距离的定向液体传输。这些突破性技术在生物医学检测、化学反应分析等领域都具有广阔的应用前景。

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