結構化表面通過(guò)界面能實(shí)現無(wú)外部力驅動(dòng)的定向液體操控，在微流控、綠色能源和生物醫學(xué)等領(lǐng)域中展現出巨大的應用潛力。雖然固體表面與液體之間的界面能相互作用對液體操控至關(guān)重要，但目前對如何平衡液固界面能以影響多樣化液體行為的系統理解仍然不足。這種理論研究的滯后性限制了高效液體操控系統的設計和優(yōu)化能力。因此，對其深入研究具有重要的理論指導和實(shí)際應用意義。

近日，香港大學(xué)機械工程系的Alan C. H. Tsang教授團隊通過(guò)曲率棘輪表面作為示例，揭示了精細液固界面能調控下的復雜定向液體動(dòng)力學(xué)。團隊使用摩方精密microArch® S240（精度：10 μm）3D打印系統制備了結構化表面。曲率和傾斜的雙重特征調節了拉普拉斯壓力的不對稱(chēng)性，從而實(shí)現了定向、雙向和反向的靈活液體操控（圖1）。這些過(guò)程可以通過(guò)控制固體表面的自由能和液體的表面張力進(jìn)行調節，其比率被定義為一個(gè)新的無(wú)量綱數ζ，用以表征液固界面能關(guān)系。研究發(fā)現，當ζ ～ 1時(shí)，液體控制達到平衡，這種狀態(tài)能夠促進(jìn)多種液體行為。通過(guò)匹配界面結構設計和適當的液固界面能關(guān)系（即ζ值），能有效推動(dòng)智能液體操控概念的實(shí)現。這一新準則也啟發(fā)了一種基于液體的信息加密技術(shù)，其中液體僅在特定的ζ值區間內，才能在預編程的結構表面上顯示正確的信息，從而進(jìn)一步拓寬了相關(guān)應用領(lǐng)域的邊界。

相關(guān)研究以“Smart Directional Liquid Manipulation on Curvature-Ratchet Surfaces"為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《ACS Nano》上，香港大學(xué)機械系博士研究生苗佳麒為本文作者，Alan C. H. Tsang教授為本文通訊作者，香港大學(xué)為該論文的通信單位。

圖2揭示了基于結構化表面的定向液體動(dòng)力學(xué)調控機制，并探討了結構參數對不同表面張力液體行為的影響。

研究人員通過(guò)對結構化表面進(jìn)行親水/疏水處理，探討了液固界面能關(guān)系對液體行為的影響，并將表面對液體行為的控制分為三類(lèi)：過(guò)度控制（ζ ? 1）、平衡態(tài)（ζ ～ 1）和控制不足（ζ ? 1）。在平衡態(tài)下，液固界面能系統保持相對均衡，這有助于結合表面結構設計，實(shí)現多樣化的智能液體操控（圖3）。

為了展示綜合考慮表面結構設計與液固界面能關(guān)系所促進(jìn)的智能液體操控新認知，研究人員采用了三類(lèi)不用的表面設計，展示了豐富的液體行為，包括扇形擴散、梯度間隔誘導的重定向和往復換向傳輸（圖4）。無(wú)一例外地，這些行為的出現都基于特定結構與合適液固界面能關(guān)系（即ζ值）的匹配。

研究團隊基于提出的智能液體操控概念，拓展了基于液體的信息加密技術(shù)（圖5）。具體而言，信息被編碼在結構化設計中，而匹配的液固界面能關(guān)系（ζ值）則作為解密的鑰匙，用于解碼不同的信息（如數字、圖案等）。

在這項工作中，研究人員捕捉到了由于液固界面能系統的細微變化而引起的相同表面設計下不同的液體動(dòng)力學(xué)。這一發(fā)現有望解決長(cháng)期以來(lái)對固定表面上單調液體行為的批評，增強其作為解決未來(lái)實(shí)際應用挑戰的可行性。研究確定的平衡控制區間（ζ ～ 1）適用于在三維表面形貌上的液體操控（如本研究所討論的曲率棘輪表面）。而在引導具有多級結構的超親水表面上的二維液體操控時(shí)，ζ ? 1可能也是合適的控制區間；在異質(zhì)超疏水結構表面上，ζ ? 1區間將有助于操控液滴的彈跳行為，以確保極低的表面自由能不會(huì )阻礙預期的液滴彈跳。此外，考慮到具有異常潤濕特性的表面時(shí)（如同時(shí)具有親水和疏油特性），僅依賴(lài)ζ作為標準似乎不足。這些復雜性問(wèn)題表明，當前亟需發(fā)展一套普適性的智能液體操控理論體系，以應對多樣化應用場(chǎng)景的需求。