基于曲率棘轮表面的智能定向液体操控研究学术报告

一、研究团队与发表信息
本研究由香港大学机械工程系的Jiaqi Miao和Alan C. H. Tsang合作完成，成果发表于ACS Nano期刊2025年第19卷（5829–5838页），标题为《Smart Directional Liquid Manipulation on Curvature-Ratchet Surfaces》。

二、学术背景与研究目标
1. 科学领域与背景
该研究属于界面科学与微流体操控领域，聚焦于通过结构化表面调控固液界面能（solid-liquid interfacial energy）实现液体的定向输运。传统方法依赖化学梯度或各向异性润湿结构，但存在输运距离短、调控灵活性不足等问题。自然界生物表面（如猪笼草唇瓣、蜥蜴皮肤）通过不对称结构产生的拉普拉斯压力（Laplace pressure）梯度实现高效液体操控，为人工表面设计提供了灵感。

1. 研究动机与目标
   作者提出，现有研究缺乏对固液界面能平衡如何影响液体行为的系统性理解。为此，他们以曲率棘轮表面（curvature-ratchet surfaces）为模型，旨在揭示界面能调控的普适机制，并开发一种基于界面能匹配的智能液体操控技术。
   

三、研究流程与方法
1. 表面设计与制备
- 结构模型：曲率棘轮单元由半圆形底部（半径400 μm）、主体长度1000 μm及倾角β（0°–180°）构成（图1a）。
- 制备技术：采用投影微立体光刻技术（projection microstereolithography，精度10 μm）制备高精度结构，并通过等离子处理或超疏水喷涂调控表面自由能（surface free energy, γs）。

1. 液体行为调控实验

   • 研究对象：乙醇-水混合液（表面张力γl范围23–72 mN/m），通过改变乙醇质量分数（c=0%–100%）调节γl。
     
   • 实验装置：注射泵以100 μL/min流速注入液体，通过高速显微镜记录输运过程，利用ImageJ分析输运距离与速率。
     
   • 关键参数：引入无量纲数ζ=γs/γl，表征固液界面能关系，划分三种调控区间：过度控制（ζ≫1）、平衡控制（ζ∼1）和不足控制（ζ≪1）。
     

2. 动态行为机制解析

   • 拉普拉斯压力不对称性：通过曲率与倾角特征（图2a-d）调控液体-空气界面的不对称性，实现单向、双向及反向输运（图2c-f）。
     
   • 相图构建：结合β与γl变化，绘制液体输运方向的相图（图2g），揭示模式切换临界点。
     

3. 阵列设计与功能拓展

   • 特殊阵列：错位排列（图4a）诱导扇形扩散；梯度间距（图4d）实现液体转向；变倾角设计（图4g）触发往复输运。
     
   • 信息加密应用：通过预编程表面设计与特定ζ值匹配，液体仅在一定ζ范围内显示正确信息（图5）。
     

四、主要研究结果
1. 界面能平衡的核心作用
- 在平衡控制区间（ζ∼1），曲率与倾角协同调控拉普拉斯压力，实现高效定向输运（如c=80%液体在β=120°表面输运13.8 mm/23 s，图2e-ii）。
- 微小ζ变化可逆转输运方向（如c=60%与90%液体在梯度间距阵列中的相反行为，图4e-f）。

1. 多模式液体操控

   • 双向切换：低表面张力液体（c=0%）因惯性主导呈现双向扩散，而中等ζ值（c=60%）为曲率与倾角竞争的过渡态（图2g）。
     
   • 智能响应：亲水处理表面（γs↑）使高γl液体（c=100%）转为模式2输运（图3d-i），验证界面能关系决定行为模式。
     

2. 跨尺度适用性验证

   • 微纳米级液体-空气界面分析（图S6-S7）表明曲率棘轮结构在跨尺度场景中均有效。
     

五、结论与价值
1. 科学意义
- 提出ζ参数统一描述固液界面能平衡，为智能液体操控提供普适设计准则。
- 揭示了结构非对称性与界面能协同调控液体动态的机制，弥补了传统研究对行为模式切换理解的不足。

1. 应用前景
   
   • 微流体技术：无需外场驱动的定向输运可用于芯片实验室（Lab-on-a-chip）。
     
   • 信息加密：基于ζ匹配的液体响应表面在防伪标签等领域具潜力。
     
   • 绿色能源：仿生表面设计可提升冷凝集水效率。
     

六、研究亮点
1. 创新性发现
- 首次通过单一表面设计实现双向/反向输运的模式切换，突破传统单向操控限制。
- 提出ζ参数量化界面能平衡，建立可预测的液体行为相图。

1. 方法学突破
   
   • 结合高精度3D打印与多尺度界面分析，实现结构-性能的精准关联。
     
   • 开发液体信息加密技术，展示界面能调控的工程应用潜力。
     

七、其他价值
研究还探讨了惯性效应（Weber数分析，图S5）及异常润湿表面（如亲水疏油）的局限性，为后续研究指明方向。