自然界中，蜘蛛絲親水性的仿錘結(jié)和仙人掌圓錐形結(jié)構(gòu)的刺可以將空中的微小霧滴定向收集，這種獨特而有趣的動態(tài)行為（包括不對稱擴散，穩(wěn)定滾動，全彈和定向傳輸），為界面的定向液體動力學(xué)打開了靈感大門，推動了一系列液體在超濕界面的創(chuàng)新和革命，可以在農(nóng)業(yè)灌溉，潤滑，除霧，微流體操作等多個領(lǐng)域應(yīng)用。為了提高可控性，研究人員已嘗試使用諸如熱，光，磁場和電場之類的外部場來輔助或?qū)崿F(xiàn)可控的液體動力學(xué)。近年來，新興的定向液體運輸應(yīng)用取得了長足的發(fā)展，但仍然存在一些挑戰(zhàn)。在這個關(guān)鍵時期，有必要總結(jié)和整理關(guān)于超潤濕界面的定向液體動力學(xué)的過去研究，這將有效地指導(dǎo)和激發(fā)未來更多的突破性成果。
近日，江雷院士、董智超等人綜述討論并總結(jié)了具有超濕性的自然生物和人造表面上的定向液體動力學(xué)領(lǐng)域，并提出了一些潛在的策略來構(gòu)建用于霧氣收集，3D打印，能源設(shè)備，分離，軟機和 傳感器設(shè)備，可用于驅(qū)動液體傳輸或運動。最后，作者對尚待解決的問題和仍然存在的挑戰(zhàn)提出了個人看法，對下一代超潤濕性的仿生人造材料有重要指導(dǎo)意義。相關(guān)工作以“Directional liquid dynamics of interfaces with superwettability”發(fā)表在《Science Advances》。
方向性液體動力學(xué)
自然生物表面上的定向液體動力學(xué)
為了在惡劣條件下，沙漠甲蟲會利用背上疏水槽和親水凸起的圖案從空氣中收集霧或水蒸氣。在此過程中，小霧滴首先在非蠟質(zhì)親水區(qū)域上成核，然后形成快速增長的霧滴，并沿著涂有蠟的疏水性斜坡滑落。在具有周期性化學(xué)潤濕梯度的表面上，液體由化學(xué)潤濕梯度引起的驅(qū)動力FC~W( cosqr?cos?qa)移動到具有較高表面能的區(qū)域。與表面化學(xué)成分梯度相比，由結(jié)構(gòu)梯度引起的驅(qū)動力更為顯著。例如，蜘蛛絲可以將霧從親水的紡錘結(jié)打結(jié)并運輸?shù)浇宇^；仙人掌利用莖的圓錐形脊柱移動冷凝水滴以收集水。這是因為由錐體結(jié)構(gòu)引起的拉普拉斯壓力差定向液體傳輸，
為了實現(xiàn)快速的液體傳輸，除了驅(qū)動力外，還應(yīng)減小阻力（FR）。瓶子草的毛狀體使用獨特的層級手性微通道結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)超快速的水傳輸， 輸水速度比仙人掌脊柱上的水流速度快三個數(shù)量級。這種差異是因為在三角毛錐周圍，在多個通道內(nèi)部形成了快速的水薄膜，從而顯著降低了輸送水的運動阻力。與干燥的表面相比，水傾向于沿著潮濕的表面以更快的速度滑動。除了滴落運動之外，毛細(xì)管上升行為還可以觸發(fā)連續(xù)的水向運動。上升過程的物理機制，歸納為“Lucas-Washburn方程”，
結(jié)合了表面張力，粘性阻力，慣性力和重力的相互作用。還有許多生物利用其獨特的結(jié)構(gòu)，在自穿透效應(yīng)和由剛度梯度引起的沿單個圓錐體的掃掠效應(yīng)協(xié)同作用下，定向排出水，以防止污染，保持干燥和快速行走。。
圖1 生物表面上的液體動力學(xué)圖
外部場誘導(dǎo)的定向液體動力學(xué)梯度
為了實現(xiàn)相關(guān)領(lǐng)域中應(yīng)用的受控且快速的液體定向傳輸，需要執(zhí)行外部刺激（例如熱，光，磁和電）以觸發(fā)液滴運動。具有表面張力場的液體沿其梯度流動，可以通過直接或間接的熱相互作用來建立這種梯度，引起相鄰的液滴自主且有方向地運動。揮發(fā)性液滴可以在其自身的蒸氣上方懸浮在溫度比液滴沸點高得多的固體上，因此不對稱結(jié)構(gòu)的棘輪，可以操縱萊頓弗羅斯特液滴的快速運動和定向運輸。當(dāng)光熱效應(yīng)添加劑改變液體性質(zhì)時，光熱納米粒子在光照環(huán)境下會產(chǎn)生熱量，將液體轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵庖鸬谋砻鎻埩μ荻龋铀倭硕ㄏ虻囊后w運動，并驅(qū)動油在液-液界面處運動。
在所有下降運動驅(qū)動策略中，磁驅(qū)動具有獨特的優(yōu)點，包括非接觸式實時控制，快速響應(yīng)，無特定環(huán)境要求以及與當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的出色兼容性。設(shè)計原理可以擴展為兩種不同的類別：將磁性顆粒添加到液滴中；磁場引起的表面變形。通常，一個超順磁性液滴，其本身可以是磁性的，也可以嵌入磁性粒子，可以響應(yīng)外部磁場而移動。在梯度磁場下，超順磁性液滴被高磁場區(qū)域吸引，提供了一種無需使用泵、閥門或微流控容器來操縱和監(jiān)測小體積液體液滴運動、聚結(jié)和疏水表面分裂。
在交流電場的作用下，帶電的物體可以吸引不帶電的物體在基板表面上移動。通過向液體中添加導(dǎo)電劑或注入電荷可以降低操作的復(fù)雜性，從而可以實現(xiàn)液滴的吸引或排斥。液滴驅(qū)動的物理原理，可以解釋為液滴彎液面（對于導(dǎo)電液體）或液滴內(nèi)部的偶極子（在液體中）中的自由電荷上產(chǎn)生的電現(xiàn)象。這些力可以通過在液滴周圍的任意表面上積分麥克斯韋-應(yīng)力張量來計算。
圖2.通過外部刺激操縱液體動力學(xué)。
新興應(yīng)用
超級可濕性現(xiàn)在在眾多應(yīng)用中扮演著越來越重要的角色。特別是，最近的研究集中在這些材料在霧收集，3D打印，能源設(shè)備，液-液分離，軟機械，傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用。
小結(jié)：作者綜述中所強調(diào)的超級潤濕性系統(tǒng)-控制定向液體動力學(xué)是建立在綜合創(chuàng)新的基礎(chǔ)上的，在廣闊的未來前景中，如果能在利用天然生物優(yōu)良的結(jié)構(gòu)模型的同時，結(jié)合界面結(jié)構(gòu)變形和外部激勵，可以在超潤濕性的界面上方便地實現(xiàn)液體定向輸送。各種學(xué)科，包括化學(xué)、物理、工程和生物學(xué)，在液體動力學(xué)和超潤濕性的界面領(lǐng)域相互作用，并集成到新的應(yīng)用裝置中，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及日常生活中有著潛在的應(yīng)用前景。
原文鏈接：
