港大、港理工和山東大學(xué)《Science》：仿若綠的選擇性定向液體傳輸

液體在固體表面的定向傳輸對許多應(yīng)用都至關(guān)重要，例如生物醫(yī)學(xué)檢測、水收集、海水淡化、傳熱傳質(zhì)等。自然界中的定向傳輸現(xiàn)象為液體在表界面?zhèn)鬏斕峁┝素S富的解決方案。例如，仙人掌將收集的霧汽從刺尖輸送到根部；蜘蛛絲將捕獲的霧汽從周期性紡錘結(jié)輸送到關(guān)節(jié)；蜥蜴通過相互連接的毛細(xì)通道將水輸送到鼻子；翼狀豬籠草利用多尺度結(jié)構(gòu)從唇內(nèi)邊緣向外邊緣定向輸送花蜜；南洋杉葉利用毛細(xì)鋸齒效應(yīng)沿固定方向輸送特定液體。

然而，科學(xué)家們在這些生物體系中發(fā)現(xiàn)，液體傳輸都具有相同的模式，即一種液體只能沿著固定的方向定向傳輸。這不禁令我們好奇，自然界是否還存在其他的液體輸運(yùn)模式？探索新穎的液體傳輸機(jī)制，將為定向液體傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)提供新的啟發(fā)和靈感。

近日，香港大學(xué)、香港理工大學(xué)和山東大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在多肉植物若綠（Crassula muscosa）身上取得了重要發(fā)現(xiàn)——液體可以在其莖上沿正反兩個(gè)方向中任一方向?qū)崿F(xiàn)定向流動。該研究成果以“Selective directional liquid transport on shoot surfaces of Crassula muscosa"為題，發(fā)表在頂級科學(xué)期刊《Science》上。香港大學(xué)博士生楊玲、博士后李威為論文的共同第一作者，香港理工大學(xué)王立秋講席教授、香港大學(xué)尹曉波教授和山東大學(xué)李加乾研究員為論文的通訊作者。

若綠（Crassula muscosa）原產(chǎn)于干旱但多霧的南非和納米比亞地區(qū)，它的莖葉很容易被霧汽潤濕并捕獲霧滴，進(jìn)而為其生長提供充足的水分。若綠外形美觀，清新奇特。抵不住對若綠的喜愛之情，研究人員也親自養(yǎng)了一盆。在給若綠澆水時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)液體在水平放置的不同若綠莖上，竟然可以選擇朝著莖尖或根部這兩個(gè)截然相反的方向自發(fā)地單向運(yùn)動，這與傳統(tǒng)認(rèn)知中一種液體只能沿固定方向流動的觀點(diǎn)大相徑庭。

研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了這一自然界的選擇性定向液體傳輸現(xiàn)象。通過進(jìn)一步觀察，他們發(fā)現(xiàn)這一神奇的現(xiàn)象得益于若綠葉片的不對稱折返結(jié)構(gòu)——葉片兩端具有不同的折返角，包括朝向莖尖的上折返角（ω1）和朝向根部的下折返角（ω2），從而導(dǎo)致液體彎液面在兩個(gè)相反方向存在差異，使得液體能夠選擇性地沿不同方向運(yùn)動。這一研究成果不僅揭示了大自然中鮮為人知的液體傳輸機(jī)制，也為工程應(yīng)用中設(shè)計(jì)更加靈活高效的液體輸運(yùn)系統(tǒng)提供了新的啟發(fā)和可能。

為了進(jìn)一步探索這一選擇性定向液體傳輸現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)制造了一種模仿若綠葉片結(jié)構(gòu)的陣列（Crassula muscosa-inspired arrays , CMIAs）。在具有不同折返角的CMIA I 和CMIA II上，他們觀測到滴加的液體分別沿著正負(fù)兩個(gè)相反的方向流動。通過高速相機(jī)觀察液體流動規(guī)律，研究人員提出了一種各向異性彎液面理論模型來解釋這一現(xiàn)象。結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果，他們利用這一理論揭示了通過調(diào)節(jié)CMIAs的兩個(gè)折返角和間距可以精準(zhǔn)控制液體的流動方向。受此規(guī)律的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)而制作了可通過磁場和機(jī)械拉伸精準(zhǔn)調(diào)控液體流動方向的磁控及柔性CMIAs。這些創(chuàng)新性的CMIAs結(jié)構(gòu)不僅驗(yàn)證了理論模型，也展示了利用結(jié)構(gòu)化表面實(shí)現(xiàn)靈活可控液體輸運(yùn)的新途徑。

總的來說，研究團(tuán)隊(duì)成功揭示了若綠植物葉片表面的選擇性定向液體傳輸現(xiàn)象。其關(guān)鍵在于葉片兩端存在不對稱的折返角度，從而產(chǎn)生異質(zhì)的液體彎月面輪廓，最終導(dǎo)致液體能夠自發(fā)選擇性地沿正負(fù)兩個(gè)相反方向進(jìn)行定向傳輸。這一令人矚目的發(fā)現(xiàn)，激發(fā)了研究人員設(shè)計(jì)可實(shí)時(shí)切換液體傳輸方向的新結(jié)構(gòu)。這些創(chuàng)新成果不僅展示了可重構(gòu)的液體傳輸、智能的傳輸方向調(diào)節(jié)， 還實(shí)現(xiàn)了自發(fā)和長距離的定向液體傳輸。這些突破性技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)檢測、化學(xué)反應(yīng)分析等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。

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