9月17日，我院冯诗乐副教授、香港城市大学朱平安助理教授、王钻开教授及其合作者在国际顶级期刊《Science》上发表突破性成果： “3D capillary ratchet-induced liquid directional steering”，首次报道了一种亚毫米级3D毛细锯齿结构诱导的流体自主择向现象，通过建立非对称3D固/液界面交互作用，操控不同表面张力液体在固体结构表面的铺展模式，实现快速、长程、自主择向的流体可控输运。

固/液界面相互作用广泛存在于自然系统和工程领域，在冷凝换热、界面减阻、喷墨打印、自清洁、防污、防腐、抗结冰、能源收集等领域应用广泛。自1804年Thomas Young首次提出表/界面科学润湿性理论以来，研究者普遍认为，液体在固体表面的自发运动趋向于从能量高向能量降低的方向运动，其运动方向主要由材料表面结构决定而与流体本征性质无关。然而，在同一表面上，流体能否自主选择自己的命运，决定其运动方向，该科学难题在基础研究领域尚未解答。

研究者发现自然界中南洋杉叶片表面酒精沿着叶片倾斜的方向运动，而水沿着反方向运动。进一步研究发现，南洋杉叶片由具有横向和纵向曲率的双重悬臂结构的锯齿周期性排列组成，区别于传统微米结构表面仅能诱发2D固/液界面作用，南洋杉叶片结构表面及仿南洋杉结构功能表面（ALIS）能够诱发非对称3D固/液界面交互作用，调控不同表面张力流体的铺展模式，实现同一表面上流体的自主择向。同时，ALIS能够显著促进或抑制毛细升现象，且在没有任何纳米结构的前提下实现快速和长程的毛细升效应。

图1 南洋杉叶片结构形貌特征及流体运动行为。

自然界南洋杉叶片由周期性排列的具有横向和纵向曲率的双重悬臂结构的锯齿组成。在该结构上，酒精沿着结构倾斜的方向输运，这与传统认知相同；而水沿着与结构倾斜方向相反的方向输运，这与传统认知背道而驰。研究者模仿南洋杉叶片结构特征，采用高精度3D打印技术，设计并制备了仿南洋杉叶片3D毛细锯齿结构表面，该表面由平行排列的具有横向和纵向曲率的双重悬臂结构的锯齿阵列组成，其结构尺度在亚毫米数量级，其特征长度与流体毛细长度相当。该仿生功能表面展现出和南洋杉叶片相似的流体择向性能：低表面能流体运动方向与结构倾斜方向相同，而高表面能流体运动方向与结构倾斜方向相反。研究者通过观察亚毫米级3D毛细锯齿结构固/液界面形态变化规律，揭示其诱导液体自主择向机理，为开发流体操控在未知领域的应用提供了理论依据和技术支撑。

图2 仿南洋杉叶片结构功能表面上流体的自主择向。

       冯诗乐副教授和香港城市大学朱平安助理教授为本论文共同第一作者，研究成果部分得到国家自然科学基金青年基金项目、大连理工大学星海人才培育计划“星海优青”项目和中央高校基本科研业务费专项基金的支持。本论文合作者包括香港城市大学机械工程系郑焕玺、李加乾，36365线路检测中心詹海洋、陈琛、刘亚华教授，香港城市大学生物医学科学系姚希副教授和香港大学机械工程系王立秋教授。

冯诗乐，36365线路检测中心副教授，大连理工大学“星海优青”，大连市新引进高层次人才。2017年7月在北京航空航天大学获得工学博士学位，导师是郑咏梅教授和侯永平副教授，2017年9月在香港城市大学从事博士后研究，合作导师是王钻开教授。2019年9月进入36365线路检测中心工作。主要致力于仿生功能表面结构设计、浸润性理论调控及应用基础研究。在Science，Sci. Adv.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Chem. Mater.，J. Mater. Chem. A等国际高水平期刊上发表论文30余篇，授权国家发明专利2项。

论文链接：