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

這種特性被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，并模仿開發(fā)了一種可以引導(dǎo)不同液體往不同方向流動(dòng)的三維表面。

這一發(fā)現(xiàn)打破了兩百多年來，表面科學(xué)領(lǐng)域認(rèn)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(zhì)而非液體性質(zhì)（表面張力）的常規(guī)認(rèn)識(shí)。并將掀起研究三維表面結(jié)構(gòu)來智能調(diào)控液體流動(dòng)的新浪潮，并對(duì)新型流控技術(shù)、強(qiáng)化傳熱等不同的科學(xué)及工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

“到目前為止，同一個(gè)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(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)者、香港城市大學(xué)機(jī)械工程系教授王鉆開接受澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者采訪時(shí)表示，“我們首次發(fā)現(xiàn)，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(xì)鋸齒引導(dǎo)的液體自主擇向）為題發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)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(xué)

公園中南洋杉葉的啟發(fā)

王鉆開介紹道，水在親水的材料上會(huì)鋪開，鋪開的指標(biāo)包括鋪展的方向和速度。比如，在玻璃（親水）上垂直滴水，水會(huì)朝著各個(gè)方向?qū)ΨQ地鋪展，呈現(xiàn)圓形。

而此項(xiàng)研究則回答了鋪展的方向調(diào)控問題。

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

當(dāng)研究小組成員馮詩(shī)樂（現(xiàn)大連理工大學(xué)副教授）參觀香港一個(gè)種有南洋杉的公園時(shí)，其葉子的特殊結(jié)構(gòu)引起了他的注意。

南洋杉形態(tài)優(yōu)美，是我國(guó)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(zhǎng)并呈周期性排列。每片“鋸齒”都有一個(gè)尖端，鋸齒的表面稍為突起有弧度，底部則相對(duì)平坦光滑。

南洋杉鋸齒狀的葉片（左）和葉片的結(jié)構(gòu)（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(xué)

“我的學(xué)生發(fā)現(xiàn)了獨(dú)特的南洋杉，并將其帶回來做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同液體在上面的鋪展方向不一樣。我們開始進(jìn)行仿生，還原它的結(jié)構(gòu)。”王鉆開表示。

南洋杉葉具有典型的親水性。當(dāng)在南洋杉葉上連續(xù)注入水和酒精時(shí)（流速為 3 ml/s），研究者發(fā)現(xiàn)酒精沿鋸齒傾斜方向擴(kuò)展，而水以相反的方向擴(kuò)展。

他們發(fā)現(xiàn)，鋸齒的結(jié)構(gòu)和尺寸，特別是鋸齒尖端向內(nèi)彎的勾狀結(jié)構(gòu)、鋸齒尖端彼此間的距離、以及鋸齒的傾斜角度，都對(duì)控制液體流向十分重要。

水的表面張力較高，其表面張力會(huì)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(xì)長(zhǎng)度（以毫米計(jì)）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(qū)動(dòng)力，令液體順著鋸齒傾斜的方向向前流動(dòng)。

而水和酒精的混合物在表面的鋪展方向根據(jù)酒精濃度的不同有所差異。酒精含量小于10% 時(shí)會(huì)逆著鋸齒傾斜方向向后鋪展，而酒精含量大于40%時(shí)則向鋸齒傾斜方向鋪展（在鋪展的早期沿不對(duì)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(shí)雙向鋪展。

通過模仿南洋杉葉片的自然結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一款具有亞毫米級(jí)三維鋸齒的仿南洋杉葉片結(jié)構(gòu)的功能表面（Araucaria leaf-inspired surface,簡(jiǎn)稱 ALIS）。

南洋杉的毫米級(jí)的三維鋸齒，令液體在其表面上會(huì)受毛細(xì)力作用而流動(dòng)。研究團(tuán)隊(duì)使用聚合物為材料，通過3D打印復(fù)制了南洋杉葉的物理性質(zhì)。

團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，三維毛細(xì)鋸齒的傾斜方向，可以促進(jìn)或抑制液體傳輸。當(dāng)團(tuán)隊(duì)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(shí)，酒精的毛細(xì)上升量（capillary rise）顯得更高和更快；相反，保持鋸齒尖端朝下，毛細(xì)上升量則較低也更慢。

“把海綿放在水上，海綿會(huì)吸水，這就是毛細(xì)現(xiàn)象。海綿中，水會(huì)往各個(gè)方向走，而我們的結(jié)構(gòu)可以讓水只向一個(gè)方向走，并實(shí)現(xiàn)非常快的鋪展速度。”王鉆開強(qiáng)調(diào)，這是很神奇的，而且這一結(jié)構(gòu)是亞毫米級(jí)的“下里巴人”。

“學(xué)界都說大的機(jī)械結(jié)構(gòu)是‘下里巴人’，大家都喜歡‘陽(yáng)春白雪’的納米結(jié)構(gòu)。神奇的是，這樣一個(gè)下里巴人，它展現(xiàn)的液體的擴(kuò)展速度，比帶有納米、微米結(jié)構(gòu)的表面更快。大自然的確很美妙。”

這一發(fā)現(xiàn)可為智能引導(dǎo)液體傳輸提供有效策略，并為由結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的液體傳輸和新興應(yīng)用開辟新的途徑，例如新型流控技術(shù)設(shè)計(jì)、可應(yīng)用于電子或電腦零件散熱的強(qiáng)化傳熱、智能液體分類等。

王鉆開總結(jié)道：“我們的新型液體定向傳輸技術(shù)有多種優(yōu)勢(shì)，例如能夠在可控、無需借助外力的情況下，作快速兼遠(yuǎn)距離的傳輸，而且ALIS功能表面并不牽涉復(fù)雜的微/納米結(jié)構(gòu)，易于制作。”

提及此項(xiàng)工作最大的挑戰(zhàn)，王鉆開表示，找到南洋杉葉這種合適的結(jié)構(gòu)是最困難的，而“材料制作非常簡(jiǎn)單，打印一下分分鐘就能完成”。

“我們已經(jīng)仿了大自然中很多，如荷葉、豬籠草、螞蟻等，每一種動(dòng)植物都有自己的專長(zhǎng)，沒有一個(gè)可以解決所有問題。正好，南洋杉葉的結(jié)構(gòu)能解決我們領(lǐng)域的這個(gè)問題。”

關(guān)于此項(xiàng)研究的下一步工作，王鉆開表示會(huì)探索仿南洋杉葉功能表面的應(yīng)用，包括熱管散熱、防偽等。