这个黑科技,终于解决了物理学10多年来悬而未解的迷

作者: 来源:互联网 2017-12-28 评论( )

电路中的二极管想必大家并不陌生,大名鼎鼎的LED就是其中的一种。在二极管中,电流只能朝单方向流动,反向则会被阻断。但如果我

      电路中的二极管想必大家并不陌生,大名鼎鼎的LED就是其中的一种。在二极管中,电流只能朝单方向流动,反向则会被阻断。但如果我告诉你,流体也有二极管,即液体在一根管子里只能沿着一个方向定向流动、润湿,反向则会被阻断,你或许就要疑惑了,这是怎么做到的呢?近日,香港城市大学博士研究生李加乾和中国科学院上海微系统所周晓峰博士在香港城市大学王钻开教授和美国Lehigh大学的Manoj K. Chaudhury教授的指导下,联合为大家展示了一种通过调整表面微观形貌,控制液体流向的“拓扑流体二极管”(Topological liquid diode),并在《科学》杂志的子刊《科学进展》(Science Advances)上发表了他们的研究成果[1]

      “拓扑”一词由英文Topology音译而来,有研究特定地方地形、地貌的意思[2]。王钻开和同事们用拓扑一词,意在表达通过对材料表面“地形地貌”(即材料表面微观形貌)的控制,来实现流体的定向移动。

      你可能会问,液体定向移动有什么用?我可以告诉你,如果没有液体定向移动,地球上很多动植物就都要灭绝。比如沙漠甲虫,利用背后亲水的区域收集水,再利用亲水和疏水区域形成的流体通道将收集的水自发定向地运输到嘴里[3]。再比如仙人掌,在沙漠中通过刺来收集水汽,收集的水沿着刺的外端自发定向地传送到仙人掌的身上[4]。当然,这种例子并不只在沙漠中才有。像猪笼草的“嘴唇”[5]和蜥蜴的皮肤[6]也具有类似功能。

沙漠甲壳虫和仙人掌。

沙漠甲壳虫和仙人掌

      自然界中这些自发、定向运输液体的例子很多都是靠其精妙的微观形貌实现的。本文的主角“拓扑流体二极管”也不例外。接下来我就带大家来揭开拓扑流体二极管这项黑科技神秘的面纱。

      在拓扑流体二极管的制造中,研究团队用一种特殊的凹槽构建了一个复杂的表面结构(旁白: 谁能告诉我这么复杂的结构是怎么想到的?!)。这个表面的总体结构是一个U型岛状阵列(U-shaped island arrays)。构成阵列的每个U型岛内都有一个U型槽,槽的顶端设计了一个凹角结构(re-entrant structures)。这凹角结构可不是为了好看,而是为了改变表面的润湿性。

扫描电子显微镜下流体二极管表面的微观形貌。总体结构是一个U型岛状阵列,用一个个长方形“栅栏” 围着这些U型岛状结构(图A)。构成阵列的U型岛状结构开口处较宽,向内宽度依次递减,在每个U型岛内都有一个U型槽(图B)。U型槽的顶端还设计了一个凹角结构(图C)。这凹角结构可不是为了好看,而是为了改变表面的润湿性。

      扫描电子显微镜下流体二极管表面的微观形貌。总体结构是一个U型岛状阵列,用一个个长方形“栅栏” 围着这些U型岛状结构(图A)。构成阵列的U型岛状结构开口处较宽,向内宽度依次递减,在每个U型岛内都有一个U型槽(图B)。U型槽的顶端还设计了一个凹角结构(图C)。这凹角结构可不是为了好看,而是为了改变表面的润湿性。

      根据密西根大学Anish Tuteja教授早期的研究[7],这种凹角结构可以不借助任何化学修饰,让一个亲水表面变成疏水表面。那么,以这种凹角结构为基础的这一系列设计,会达到什么效果呢?当水滴滴在该表面上时,这滴水并不会像生活中常见的那样向四处无序地铺展,而是会沿着单一方向铺展开来。尽管在相反的方向上也会有较小程度的润湿,但这种润湿很快就被流体二极管截断了。

      不止是水,作者还尝试了乙醇、甘醇等其他表面张力、密度、润湿性各不相同的液体,发现这些液体在流体二极管上也有类似现象。这证明,流体二极管具有普遍适用性。

扫描电子显微镜下流体二极管表面的微观形貌。总体结构是一个U型岛状阵列,用一个个长方形“栅栏” 围着这些U型岛状结构(图A)。构成阵列的U型岛状结构开口处较宽,向内宽度依次递减,在每个U型岛内都有一个U型槽(图B)。U型槽的顶端还设计了一个凹角结构(图C)。这凹角结构可不是为了好看,而是为了改变表面的润湿性。

      水滴在流体二极管结构上的单向润湿现象。

水滴在流体二极管结构上的单向润湿现象。

      水滴在流体二极管结构上的单向润湿现象。

      可别小看流体二极管的设计,它解决了一个物理学中十多年来都很难解释的现象。早在2005年,Manoj K. Chaudhury和Ankur Chaudhury教授发现,在一个有水滴线性排列的疏水表面上,油在初始状态时扩展的很慢。但当油逐渐积累、连在一起并覆盖水滴的时候,油就扩展的很快[8]。这就好比在一个仅一人能通过的胡同(疏水表面)里,横着几座矮墙(水滴),想要过胡同必须要翻墙。最先爬墙的人(油)比较费力,但是当爬过去的人多了,有一部分人就会留在墙根底下帮助其他人,这样后来的人爬墙就比较容易了。

      尽管此后有一些研究试图解释这个现象,但对于油如何突破、克服初始阶段缓慢扩展的屏障,并没有人能给出答案,因此这也成了一个悬而未决的迷。直到最近。

 油在水滴线性阵列中的慢跑与快跑现象。

      油在水滴线性阵列中的慢跑与快跑现象。

      在研究流体二极管中液体的定向流动时,作者发现,一个前驱的液体膜起着关键性的作用——后续的液体更愿意沿着“前人”的足迹前进,先锋部队拉动大部队前进。那么这个前驱液体膜又是怎么来的呢?这要归结于一种叫角流动的现象(corner flow)[9]。用宇航员喝咖啡——准确来说是吸咖啡——举个例子。在太空中失重的条件下,液体的流动是自由无序的。但由于角流动效应的存在,液体更加倾向于沿着杯壁走。

宇航员在失重条件下吸咖啡,由于角流动效应,水沿着杯壁流动而非无序飘散。

      宇航员在失重条件下吸咖啡,由于角流动效应,水沿着杯壁流动而非无序飘散。

      在拓扑流体二极管中,会有一部分液体优先沿着栅栏的侧壁流动,这部分液体抄小路铺展,因此跑的较快,成为“先锋部队”。

拓扑流体二极管的润湿过程。首先,先锋部队超两边小路进发,然后,大部队赶到,与先锋部队汇合。紧接着,先锋部队再优先润湿下一个U型岛状结构。

      拓扑流体二极管的润湿过程。首先,先锋部队超两边小路进发,然后,大部队赶到,与先锋部队汇合。紧接着,先锋部队再优先润湿下一个U型岛状结构。

      这些“先锋部队”会优先“抄小路”从两边进入到流体二极管的U型槽中,形成前驱液体膜,但并不会超过凹角结构的高度。随后而来的“大部队”会被凹角结构所阻隔,堆积在U型槽里。当被阻隔的“大部队”液体积累到一定量时,会突破凹角结构的束缚,并与前驱液汇合,然后,就会发生“水跃现象”(hydraulic jump),“跳过”U型岛障碍,向前流动。所以从整体来看,液体在拓扑流体二极管里的流动过程并不是连续的,而是像跨栏一样“一跳一跳”地前进。

高速摄像机下的水跃现象。拓扑流体二极管的正向润湿依次经过阻隔、合并和水跃过程。

      高速摄像机下的水跃现象。拓扑流体二极管的正向润湿依次经过阻隔、合并和水跃过程。

流体二极管的侧面剖视图。前驱液膜在流体二极管中对后续液体的正向引导机理。前驱液体(浅蓝色)会优先进入到U型槽里,在前驱液膜的引导下,水的流动依次经过阻隔(pinning)合并(coalescence)和水跃的过程,使水得以快速地向前流动。

      流体二极管的侧面剖视图。前驱液膜在流体二极管中对后续液体的正向引导机理。前驱液体(浅蓝色)会优先进入到U型槽里,在前驱液膜的引导下,水的流动依次经过阻隔(pinning)合并(coalescence)和水跃的过程,使水得以快速地向前流动。

            流体二极管的正向始终处于“导通”状态,那么它反向的“阻断”状态又是怎么来的呢?原因还要从表面结构上找。当液体尝试在流体二极管中反向流动的时候,被凹角结构拦住的液体“大部队”会从上方润湿凹角结构,凹角结构挡住了下方的“前驱液膜”,形成凹角阻隔(re-entrant pinning),这样,后续的液体“大部队”没法跟前驱液膜合并,也就不能顺利前进了。

流体二极管中微观结构对后续液体的反向阻断机理。凹角结构挡住了液体“大部队”与前驱液膜的合并,阻止了液体的流动。

      流体二极管中微观结构对后续液体的反向阻断机理。凹角结构挡住了液体“大部队”与前驱液膜的合并,阻止了液体的流动。

      尽管压力大到一定程度的时候,液体仍然会突破凹角结构,但由于流体二极管正向“导通”状态非常好,使得液体都愿意往正向跑,因此反向的压力很难增加到突破凹角结构的程度,就这样,反向的“生意”就都被正向抢跑了,这就促成了液体在流体二极管上的单向流动。

      研究人员还将流体二极管摆成圆形和螺旋形向大家展示宏观上,液体自发的、长距离的定向流动现象。更逆天的一点就是,这个传输甚至可以克服重力!

液体在圆形和螺旋形流体二极管上的定向流动,图1。




液体在圆形和螺旋形流体二极管上的定向流动,图2。

      液体在圆形和螺旋形流体二极管上的定向流动。

      那么流体二极管在实际中会有什么样的应用呢?

      首先,谈到二极管,第一个想到的应该就是逻辑电路了吧。流体二极管可以构建一个个流体的逻辑门,乃至逻辑门阵列——一个流体的“逻辑电路”。这样的“流体逻辑电路”应用在微流体控制领域,会大大加快制药、电子冷却等行业的发展。其次,流体控制或许也可用于散热。设想一下,如果能让冷却液自发地返回到蒸发端,那可以节省多少成本和能量?再次,这种液体自发运输或许还可用于航空航天领域。在微重力的条件下,控制流体运动的方向往往需要更多的能量输入,连喝杯咖啡都要“吸”着喝。拓扑流体二极管可以让航天员在太空中喝到不用“吸”的咖啡!最后,我们来大胆设想一下,由于流体二极管对多种液体/流体的普遍适用性,不妨假设引进其他形式的流体,如磁流体–流体二极管/逻辑门,控制磁流体定向移动,说不定未来又会玩出什么样的黑科技!让我们共同期待这项前沿技术的发展吧!

参考文献

  1. Jiaqian Li, Xiaofeng Zhou, Jing Li, Lufeng Che, Jun Yao, Glen McHale, Manoj K. Chaudhury, Zuankai Wang, Topological liquid diode, Science Advances 2017, DOI: 10.1126/sciadv.aao3530.
  2. Topology, Merriam-Webster Dictionary, origin: International Scientific Vocabulary
  3. Andrew R. Parker, Chris R. Lawrence, Nature 2001, 414, 33.
  4. Jie Ju, Hao Bai, Yongmei Zheng, Tianyi Zhao, Ruochen Fang, Lei Jiang, Nature Communications 2012, 3, Article number: 1247.
  5. Huawei Chen, Pengfei Zhang, Liwen Zhang, Hongliang Liu, Ying Jiang, Deyuan Zhang, Zhiwu Han, Lei Jiang, Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata, Nature 2016, 532, 85.
  6. Philipp Comanns, Gerda Buchberger, Andreas Buchsbaum, Richard Baumgartner, Alexander Kogler, Siegfried Bauer, Werner Baumgartner, Directional, passive liquid transport: the Texas horned lizard as a model for a biomimetic ‘liquid diode’, Journal of The Royal Society Interface 2015, 12, 20150415.
  7. Anish Tuteja, Wonjae Choi, Minglin Ma, Joseph M. Mabry, Sarah A. Mazzella, Gregory C. Rutledge, Gareth H. McKinley, Robert E. Cohen, Designing Superoleophobic Surfaces, Science 2007, 318, 1618.
  8. Manoj K. Chaudhury, Ankur Chaudhury, Super spreading of oil by condensed water drops, Soft Matter 2005, 1, 431.
  9. Mark M. Weislogel, Seth Lichter, Capillary flow in an interior corner, Journal of Fluid Mechanics 1998, 373, 349.
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