賦液體智慧 流向「任我行」

俗语有云：「人望高处，水向低流。」液体向下流动似乎是亘古不变的真理。然而，一条南洋杉叶（Araucaria leaf）却颠覆了这种常规认知和运作。 由香港理工大学协理副校长（研究及创新）、机械工程学系讲座教授王钻开领导的团队，从南洋杉叶中受启发，依照其自然结构设计出具有3D锯齿的仿南洋杉表面（ALIS）原型，让不同液体根据其表面张力差异而可以向不同方向流动，甚至可以向上「流」。是次研究成功突破自1804年以来，困扰表面与界面科学领域210多年一直悬而未决的谜题，实现了不同液体在同一材料表面流向的可控性，如同为液体赋予「智慧」，能自主「选择」流动方向，有望掀起智能调控液体流动的新浪潮。◆香港文汇报记者 钟健文 自1804年英国物理学家汤玛斯·杨格（Thomas Young）首次提出表面界面科学润湿性基础理论以来，科学界对液体在固体表面的运动方向达成了共识并成为传统认知，就是液体趋向于从能量高向能量低的方向运动。在没有外力影响下，液体在固体表面的自发运动方向，取决于材料表面的结构性质，与液体自身的种类及表面张力等属性无关。即液体的铺展或运动方向，取决于所在的材料表面结构性质，例如无论是将水、油或酒精滴到同样的表面结构上，它们都会以相同的方式进行运动或铺展。假如水向左，油和酒精也会向左；水从中心开始作出对称铺展，油和酒精也会从中心开始作出对称铺展。 但是，一条南洋杉叶就打破了这种传统认知与共识。王钻开接受香港文汇报访问时分享忆述，2018年，其团队中一名博士后研究员在海洋公园游玩时，被园中的南洋杉叶片独特的3D结构所吸引：它由双重悬臂结构锯齿周期性排列组成，同时拥有横向和纵向曲率。 将叶片带回实验室研究后，团队在该南洋杉叶上发现了意想不到的液体流动行为，长期从事仿生表面界面研究的王钻开于是提出一个深刻的物理学问题：「在不改变固体表面结构和没有外部能量输入的前提下，液体能否自主选择运动方向？」 3D锯齿是控制关键 团队在随后三年间仿照南洋杉叶的自然结构，设计出具有3D锯齿的仿南洋杉表面（ALIS）原型，并在上面置放不同混合比例的乙醇（酒精）和水，发现因为表面张力的不同，混合液会分成3个方向流动：当酒精含量低于10%，液体会逆锯齿方向倒流；含量40%以上酒精的液体会顺锯齿方向流动；酒精占10%至40%时更会双向流动。 王钻开表示，其团队发现这毫米级的3D锯齿，会令液体在其表面上受毛细力作用（capillary action）影响而流动。锯齿的结构与尺寸，特别是锯齿尖端向内弯的勾状结构、锯齿尖端之间的距离，均是控制液体流向的关键。他解释，以像水一般表面张力高的液体为例，表面张力会将液体固定在3D锯齿的尖端，由于锯齿尖端的间距与液体的毛细长度相若，液体可以逆锯齿倾斜的方向向后倒流；相反，像乙醇一般表面张力低的液体，其表面张力成为了驱动力，令液体顺着锯齿倾斜的方向向前流动，可见适当设计新型的毛细锯齿，就可以营造足够空间令液体「选择」流向。 最大化实现水向上「流」 更有趣的是，团队实验发现，水和乙醇的混合液体在适当比例下，会同时以双向流动。同时，ALIS更可显著促进毛细上升现象（capillary rise），无论是上升速度和高度都比多种微米和纳米结构材料更佳，最大化实现水向上「流」。 王钻开表示，其团队观察到不同液体向多个方向流动，是科学界首次记录到的现象，「就像魔术一样」，而透过混合不同比例的水和乙醇，可得出不同表面张力的液体，由此可操控液体的流向，「根据常规认知，液体流动方向主要由物料表面结构决定，与液体特性如表面张力无关，我们的研究首次展示可控制液体传输方向，成功解开自1804年以来在表面与界面科学领域的难题。」 是次研究为智能液体传输研究开拓了新领域，有关论文在去年底王钻开任职香港城市大学时于国际权威期刊《科学》发表，并有多名城大、大连理工大学及香港大学科研人员参与。