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  “水往低處流”是自然界的普遍現(xiàn)象，這是由于受到重力的作用，使水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能而向下運(yùn)動(dòng)。在極度超親水的表面上，在毛細(xì)作用下液滴可以自下而上定向自發(fā)傳輸,產(chǎn)生類(lèi)似于電子二極管的流體二極管行為[參考文獻(xiàn)1]。然而許多工程應(yīng)用都要涉及到類(lèi)似荷葉的超疏水的表面,在這樣的表面上液滴呈現(xiàn)球狀,水與固體表面有著非常小的接觸面積[參考文獻(xiàn)2]。

  為了實(shí)現(xiàn)在疏水表面上自發(fā)定向輸運(yùn),傳統(tǒng)的做法是依賴(lài)化學(xué)或者結(jié)構(gòu)梯度,從而使液滴產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)力，以克服三相接觸線(xiàn)釘扎產(chǎn)生的阻力。然而,現(xiàn)有的辦法都不可避免的存在傳輸速度慢或者傳輸距離短的缺點(diǎn)。盡管借助溫度場(chǎng)讓液滴維持在萊登夫洛施特（Leidenfrost）狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)液滴的快速運(yùn)動(dòng)[參考文獻(xiàn)3],但是額外的高溫給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)一定的局限性。如何實(shí)現(xiàn)常溫環(huán)境下液滴的自發(fā),快速和定向傳輸,甚至能克服重力從下往高處運(yùn)動(dòng),是個(gè)懸而未決的挑戰(zhàn)。

水往低處流的自然現(xiàn)象。圖片來(lái)源：BestAnimations

  近日，電子科技大學(xué)鄧旭教授與香港城市大學(xué)王鉆開(kāi)教授、德國(guó)馬克斯-普朗克高分子研究所的 Hans-Jürgen Butt 教授合作，實(shí)現(xiàn)了在不依靠外部能量供給情況下液滴的快速長(zhǎng)距離自驅(qū)動(dòng)傳輸，液滴甚至能從超疏水表面下端垂直向上迅速爬升。相關(guān)論文發(fā)表在 Nature materials 上，第一作者為電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院博士生孫強(qiáng)強(qiáng)，合作單位還有中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)。

由可印刷的表面電荷密度梯度介導(dǎo)的液滴輸運(yùn). 圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[4]

水滴反重力垂直向上傳輸。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[4]

水滴反重力懸掛傳輸。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[4]

  該論文第一次引入電荷梯度的概念，即表面電荷密度梯度 (SCD gradient)，通過(guò)控制撞擊高度的連續(xù)變化，打印出具有表面電荷密度梯度的特定路徑，進(jìn)而引導(dǎo)水滴的自推進(jìn)，成功地實(shí)現(xiàn)了液滴的快速、長(zhǎng)程、無(wú)損失傳輸。這種室溫下類(lèi)似萊登夫洛施特（Leidenfrost）的傳輸能以高達(dá) 1.1 m/s 的速度自推進(jìn)，傳輸距離理論上無(wú)限制�；谶@種表面電荷密度梯度介導(dǎo)的液滴運(yùn)輸，研究人員展示了以水滴作為輪子的小車(chē)沿帶電路徑自推進(jìn)的過(guò)程 (Cargo device)。同時(shí)，還發(fā)展了基于表面電荷打印方法的無(wú)槍頭式移液槍(Tipless pipette)，可用于低表面能和高粘度液滴的無(wú)損失轉(zhuǎn)移。

自推進(jìn)機(jī)理和性能對(duì)比。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[4]

弧線(xiàn)及無(wú)限制傳輸。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]

以電荷梯度路徑為軌道，水滴為輪子的載物裝置。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[4]

無(wú)槍頭式移液槍的設(shè)計(jì)應(yīng)用。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[4]

  本文提出的固液界面接觸分離后的滯留電荷，對(duì)流體動(dòng)力學(xué)的影響是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)樵诠桃航缑娴膭?dòng)力學(xué)作用中，浸潤(rùn)和帶電現(xiàn)象往往是同時(shí)存在的。打印表面電荷的方法使我們能夠開(kāi)發(fā)新的傳感和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括芯片實(shí)驗(yàn)室、微流體器件和生物液滴分析裝置。液滴打印表面電荷在其他眾多領(lǐng)域還具有重要的應(yīng)用和理論價(jià)值，如納米自組裝、影印及靜電電化學(xué)等領(lǐng)域，同時(shí)這有助于加深對(duì)接觸帶電機(jī)理的理解。在設(shè)計(jì)其他多功能表面時(shí)，這種疏水表面的電荷效應(yīng)，也是值得被關(guān)注的。

參考文獻(xiàn)

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[3] Jing Li, Youmin Hou, Yahua Liu, Chonglei Hao, Minfei Li, Manoj Chaudhury, Shuhuai Yao, Zuankai Wang. Directional transport of high-temperature Janus droplet mediated by structural topography. Nature Physics, 12, 606-612 (2016)

[4] Qiangqiang Sun, Dehui Wang, Yanan Li, Jiahui Zhang, Shuji Ye，Jiaxi Cui, Longquan Chen, Zuankai Wang, Hans-Jürgen Butt, Doris Vollmer, Xu Deng. Printing surface charge as a new paradigm to program droplet transport. Nature materials (2019) (DOI: 10.1038/s41563-019-0440-2)

  文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0440-2