南洋杉葉有一種令人驚訝的特性：在葉子表面倒水，水會朝一個方向鋪開；如果倒酒精，則朝另一個方向鋪開。

這種特性被科學家發現，并模仿開發了一種可以引導不同液體往不同方向流動的三維表面。

這一發現打破了兩百多年來，表面科學領域認為液體在材料表面上的鋪展方向主要取決于表面本身的性質而非液體性質（表面張力）的常規認識。并將掀起研究三維表面結構來智能調控液體流動的新浪潮，并對新型流控技術、強化傳熱等不同的科學及工業應用產生深遠的影響。

“到目前為止，同一個表面上不同液體的鋪展方向一樣。比如，水往右，酒精也往右。”此項研究的領導者、香港城市大學機械工程系教授王鉆開接受澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者采訪時表示，“我們首次發現，同一表面上不同液體的鋪展方向可以是不同的。”

研究成果于9月17日以《Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering》（三維毛細鋸齒引導的液體自主擇向）為題發表在國際知名學術期刊《Science》上。

酒精（左）和水（右）的流向相反  圖片來源：香港城市大學

公園中南洋杉葉的啟發

王鉆開介紹道，水在親水的材料上會鋪開，鋪開的指標包括鋪展的方向和速度。比如，在玻璃（親水）上垂直滴水，水會朝著各個方向對稱地鋪展，呈現圓形。

而此項研究則回答了鋪展的方向調控問題。

“過去200年，研究者普遍認為液體的流向受表面性質決定。”王鉆開表示，“我們以前一直在想如何實現一個表面上不同液體向不同的方向流動。其中的關鍵是液體表面張力。表面張力是液體的核心性質，就像人有不同的DNA，水表面張力較大，酒精表面張力較小。”

當研究小組成員馮詩樂（現大連理工大學副教授）參觀香港一個種有南洋杉的公園時，其葉子的特殊結構引起了他的注意。

南洋杉形態優美，是我國南方常見的公園樹種。其鋸齒狀的葉片順著葉尖的方向傾斜生長并呈周期性排列。每片“鋸齒”都有一個尖端，鋸齒的表面稍為突起有弧度，底部則相對平坦光滑。

南洋杉鋸齒狀的葉片（左）和葉片的結構（右）：h：約2mm、p：約3mm、l：約2.6mm，傾斜角度：約40°  圖片來源：香港城市大學

“我的學生發現了獨特的南洋杉，并將其帶回來做實驗，發現不同液體在上面的鋪展方向不一樣。我們開始進行仿生，還原它的結構。”王鉆開表示。

南洋杉葉具有典型的親水性。當在南洋杉葉上連續注入水和酒精時（流速為 3 ml/s），研究者發現酒精沿鋸齒傾斜方向擴展，而水以相反的方向擴展。

他們發現，鋸齒的結構和尺寸，特別是鋸齒尖端向內彎的勾狀結構、鋸齒尖端彼此間的距離、以及鋸齒的傾斜角度，都對控制液體流向十分重要。

水的表面張力較高，其表面張力會將液體“釘住”在 3D 鋸齒的尖端。而由于鋸齒尖端的間距與液體的毛細長度（以毫米計）相若，液體可以逆鋸齒傾斜的方向向后倒流。相反，如酒精等表面張力低的液體，表面張力則成為了驅動力，令液體順著鋸齒傾斜的方向向前流動。

而水和酒精的混合物在表面的鋪展方向根據酒精濃度的不同有所差異。酒精含量小于10% 時會逆著鋸齒傾斜方向向后鋪展，而酒精含量大于40%時則向鋸齒傾斜方向鋪展（在鋪展的早期沿不對稱的鋸齒輕微回流）。酒精含量處于10%到40%之間的混合物同時雙向鋪展。

通過模仿南洋杉葉片的自然結構，研究團隊設計出一款具有亞毫米級三維鋸齒的仿南洋杉葉片結構的功能表面（Araucaria leaf-inspired surface,簡稱 ALIS）。

南洋杉的毫米級的三維鋸齒，令液體在其表面上會受毛細力作用而流動。研究團隊使用聚合物為材料，通過3D打印復制了南洋杉葉的物理性質。

團隊還發現，三維毛細鋸齒的傾斜方向，可以促進或抑制液體傳輸。當團隊將ALIS仿生表面垂直插入裝有酒精的器皿中，并保持鋸齒尖端朝上傾斜時，酒精的毛細上升量（capillary rise）顯得更高和更快；相反，保持鋸齒尖端朝下，毛細上升量則較低也更慢。

“把海綿放在水上，海綿會吸水，這就是毛細現象。海綿中，水會往各個方向走，而我們的結構可以讓水只向一個方向走，并實現非常快的鋪展速度。”王鉆開強調，這是很神奇的，而且這一結構是亞毫米級的“下里巴人”。

“學界都說大的機械結構是‘下里巴人’，大家都喜歡‘陽春白雪’的納米結構。神奇的是，這樣一個下里巴人，它展現的液體的擴展速度，比帶有納米、微米結構的表面更快。大自然的確很美妙。”

這一發現可為智能引導液體傳輸提供有效策略，并為由結構誘導的液體傳輸和新興應用開辟新的途徑，例如新型流控技術設計、可應用于電子或電腦零件散熱的強化傳熱、智能液體分類等。

王鉆開總結道：“我們的新型液體定向傳輸技術有多種優勢，例如能夠在可控、無需借助外力的情況下，作快速兼遠距離的傳輸，而且ALIS功能表面并不牽涉復雜的微/納米結構，易于制作。”

提及此項工作最大的挑戰，王鉆開表示，找到南洋杉葉這種合適的結構是最困難的，而“材料制作非常簡單，打印一下分分鐘就能完成”。

“我們已經仿了大自然中很多，如荷葉、豬籠草、螞蟻等，每一種動植物都有自己的專長，沒有一個可以解決所有問題。正好，南洋杉葉的結構能解決我們領域的這個問題。”

關于此項研究的下一步工作，王鉆開表示會探索仿南洋杉葉功能表面的應用，包括熱管散熱、防偽等。