Inspirerad av ett slags trädblad, forskare vid City University of Hong Kong (CityU) upptäckte att spridningsriktningen för olika vätskor som avsatts på samma yta kan styras, lösa en utmaning som har funnits i över två århundraden. Detta genombrott kan antända en ny våg av användning av 3D-ytstrukturer för intelligent vätskemanipulation med djupgående implikationer för olika vetenskapliga och industriella tillämpningar, såsom fluidikdesign och värmeöverföringsförbättring.

Leds av professor Wang Zuankai, ordförande professor vid institutionen för maskinteknik (MNE) vid CityU, forskargruppen fann att det oväntade vätsketransportbeteendet hos Araucaria-bladet ger en spännande prototyp för vätskeriktningsstyrning, tänjer på gränserna för vätsketransport. Deras resultat publicerades i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Vetenskap under titeln "Tredimensionell kapillärspärr-inducerad vätskeriktningsstyrning."

Araucaria är en trädart som är populär inom trädgårdsdesign. Dess blad består av periodiskt anordnade spärrar som lutar mot bladspetsen. Varje spärr har en spets, med både tvärgående och längsgående krökning på sin övre yta och en relativt platt, slät bottenyta. När en av forskargruppens medlemmar, Dr Feng Shile, besökte en nöjespark i Hong Kong med Araucaria-träd, bladets speciella ytstruktur fångade hans uppmärksamhet.

Speciell bladstruktur gör att vätskan kan spridas i olika riktningar

"Den konventionella uppfattningen är att en vätska som avsätts på en yta tenderar att röra sig i riktningar som minskar ytenergin. Dess transportriktning bestäms huvudsakligen av ytstrukturen och har ingenting med vätskans egenskaper att göra, som ytspänning, " sa professor Wang. Men forskargruppen fann att vätskor med olika ytspänningar uppvisar motsatta spridningsriktningar på Araucaria-bladet, i skarp kontrast till konventionell förståelse.

Genom att efterlikna dess naturliga struktur, teamet designade en Araucaria löv-inspirerad yta (ALIS), med 3D-spärrar av millimeterstorlek som gör det möjligt för vätskor att bli wicked (d.v.s. flyttas genom kapillärverkan) både in och ut ur ytplanet. De replikerade bladets fysiska egenskaper med 3D-utskrift av polymerer. De fann att spärrarnas struktur och storlek, speciellt den återinträdande strukturen vid spetsen av spärrhakarna, spärrarnas spärravstånd från spets till spets, och spärrarnas lutningsvinkel, är avgörande för vätskeriktningsstyrning.

För vätskor med hög ytspänning, som vatten, forskargruppen upptäckte att en vätskegräns är "nålad" vid spetsen av 3D-spärrhaken. Eftersom spärrhakens spets-till-spets-avstånd är jämförbart med vätskans kapillärlängd (millimeter), vätskan kan gå bakåt mot spärr-lutningsriktningen. I kontrast, för vätskor med låg ytspänning, som etanol, ytspänningen fungerar som en drivkraft och gör att vätskan kan röra sig framåt i spärr-lutningsriktningen.

Första observationen av vätskeväljande riktningsflöde

"För första gången, vi visade riktad transport av olika vätskor på samma yta, framgångsrikt ta itu med ett problem inom området yt- och gränssnittsvetenskap som har funnits sedan 1804, ", sade professor Wang. "Den rationella designen av de nya kapillärspärrarna gör det möjligt för vätskan att "bestämma" sin spridningsriktning baserat på samspelet mellan dess ytspänning och ytstruktur. Det var som ett mirakel att observera de olika riktningsflödena av olika vätskor. Detta var den första registrerade observationen i den vetenskapliga världen."

Ännu mer intressant, deras experiment visade att en blandning av vatten och etanol kan flöda i olika riktningar på ALIS, beroende på koncentrationen av etanol. En blandning med mindre än 10 % etanol fortplantas bakåt mot spärrlutningsriktningen, medan en blandning med mer än 40 % etanol fortplantade sig mot spärrlutningsriktningen. Blandningar av 10% till 40% etanol rörde sig dubbelriktat samtidigt.

"Genom att justera andelen vatten och etanol i blandningen, vi kan ändra blandningens ytspänning, så att vi kan manipulera vätskeflödesriktningen, " sa Dr Zhu Pingan, biträdande professor i MNE av CityU, medförfattare till tidningen.

Styr spridningsriktningen genom att justera ytspänningen

Teamet fick också reda på att 3D-kapillärspärrarna antingen kan främja eller hämma vätsketransport beroende på spärrarnas lutningsriktning. När ALIS med spärrhakar som lutade uppåt sattes in i en skål med etanol, den kapillära ökningen av etanol var högre och snabbare än för en yta med symmetriska spärrhakar (spärrar vinkelräta mot ytan). När du sätter in ALIS med spärrarna lutande nedåt, kapillärstigningen var lägre.

Deras resultat ger en effektiv strategi för intelligent vägledning av vätsketransport till måldestinationen, öppna en ny väg för strukturinducerad vätsketransport och nya tillämpningar, såsom mikrofluidikdesign, värmeöverföringsförbättring och smart vätskesortering.

"Vår nya flytande riktningsstyrning har många fördelar, som välkontrollerad, snabb, långväga transporter med självframdrivning. Och ALIS kan enkelt tillverkas utan komplicerade mikro/nanostrukturer, avslutade professor Wang.