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  合理調(diào)控界面材料的結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成，可以優(yōu)化界面與流體之間的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)低耗、無(wú)損、智能的流體傳輸過(guò)程。流體二極管（Liquid Diode），是一類僅允許流體僅在一個(gè)方向上通過(guò)，而在反方向上阻止流體通過(guò)的智能界面材料。在過(guò)去的十年中，研究人員設(shè)計(jì)了一系列具有不對(duì)稱潤(rùn)濕性的材料，如織物、聚合物纖維和金屬網(wǎng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)此類流體單向?qū)ā＠纾螌?huì)單向從網(wǎng)材疏水面流向親水面，而此過(guò)程中，表面張力是液體輸運(yùn)的唯一動(dòng)力。在傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)中，浸潤(rùn)性梯度和浸潤(rùn)性差異，是設(shè)計(jì)此類單向?qū)ㄏ到y(tǒng)的唯一途徑。

圖1 二元仿生設(shè)計(jì)具有液體單向?qū)ǖ牧骺仄骷?

  受水稻葉各向異性浸潤(rùn)性和豬籠草超潤(rùn)滑界面現(xiàn)象的啟發(fā)，天津大學(xué)曹墨源副研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北航劉克松教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)液體單向操縱的正交排列的各向異性Slippery軌道組合網(wǎng)材（IMOAS，圖1）。與之前依靠不對(duì)稱浸潤(rùn)性Janus結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)液體單向操縱的器件相比，IMOAS僅通過(guò)調(diào)節(jié)水平軌道和下降軌道的相對(duì)位置即可實(shí)現(xiàn)液滴滑動(dòng)模式和穿透模式的轉(zhuǎn)換（圖2），而不涉及任何浸潤(rùn)性梯度/對(duì)比，發(fā)展出了一類利用2維各向異性界面組合來(lái)實(shí)現(xiàn)液體單向輸運(yùn)的新途徑。

圖2 IMOAS液體操縱模式轉(zhuǎn)換

  通過(guò)3D打印聚乳酸二維軌道，將軌道正交組裝后進(jìn)行疏水化處理，最后通過(guò)硅油浸潤(rùn)可獲得IMOAS。IMOAS傾斜放置，由水平軌道（H-track）和下降軌道（D-track）組成。通過(guò)調(diào)節(jié)水平軌道和下降軌道的相對(duì)位置即可實(shí)現(xiàn)液滴滑動(dòng)和穿透模式的轉(zhuǎn)變。當(dāng)水平軌道在上時(shí)，液滴在IMOAS上表面穩(wěn)定滑動(dòng)。當(dāng)下降軌道在上時(shí)，液滴將穿透IMOAS在下表面滑動(dòng)。這種液滴單向輸運(yùn)行為可歸因于液滴與不同結(jié)構(gòu)軌道相結(jié)合時(shí)的微小表面能差異（<1×10^-8 J）。各向異性軌道的正交排列使得光滑軌道形成突出結(jié)構(gòu)。IMOAS的潤(rùn)滑層形成彎曲連續(xù)的潤(rùn)滑油/空氣界面（圖3a）。液滴在IMOAS上存在卡在水平軌道之間和處于下降軌道上兩種位置。當(dāng)液滴處于水平軌道之間時(shí)，液滴與潤(rùn)滑劑接觸面積明顯增加，導(dǎo)致液滴滑動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定（圖3b）。即液滴在IMOAS上傾向于在液固接觸面積大的一側(cè)滑動(dòng)。在光滑表面上的液滴的兩種模型中，共同的趨勢(shì)是液體和軌道之間的較大接觸面積導(dǎo)致總表面能的成功釋放。

圖3  a.液滴/潤(rùn)滑劑界面和潤(rùn)滑劑/空氣界面的輪廓呈彎曲形狀。b.液滴在IMOAS上的兩種位置。

  研究人員探究了IMOAS孔徑，傾斜角和液滴大小對(duì)液滴單向操縱的影響，還展示了IMOAS在液滴操縱方面的幾個(gè)潛在應(yīng)用，包括霧水收集中的微小液滴控制和液滴陣列的自規(guī)操控等。本項(xiàng)工作受國(guó)家自然科學(xué)基金、天津市青年人才托舉工程等項(xiàng)目資助。(Adv Funct Mater, 2019, 1904446)

  論文鏈接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201904446