近日我校机械工程学院冯诗乐副教授、香港城市大学王钻开教授和巴黎高等物理化工学院David Quéré教授在仿生功能表面液滴定向输运领域取得突破性进展。该研究成果以“Tip-induced flipping of droplets on Janus pillars: from local reconfiguration to global transport”为题发表在国际顶级期刊《Science Advances》上，报道了一种普遍存在的非对称结构诱导的尖端效应（TIF effect），该效应能够实现液滴在超疏水非对称结构尖端的重新配置，进而实现从微观到宏观的多尺度液滴的自发、快速、长程定向输运，为液滴的定向输运和水收集领域的发展提供了新的思路。

液滴的自发定向输运广泛存在于自然系统和实际工程领域，在微流控、冷凝换热、油气输运、水收集和除湿等领域具有广泛的应用前景。研究发现，超疏水表面由于其极低的界面粘附和摩擦而成为了实现快速、长程的液滴自发定向输运的理想表面。然而，超疏水表面液滴自发定向输运仍然面临诸多困难。首先，超疏水表面因对液滴的束缚较小而难于控制其输运方向；其次，超疏水表面在冷凝条件下会因液滴进入结构间隙而增大表面的粘附，限制液滴输运的速度和距离。因此，开发出具有快速、长程的液滴自发定向输运的结构体系是目前面临的主要挑战。

为了解决上述难题，研究者受自然界松针结构启发，设计了一种多级非对称结构超疏水表面（PNAS），具体包括第一级的倾斜阵列结构、第二级的高度梯度结构和第三级的平面/曲面组合的半锥形结构（图1A, B）。为了进一步研究各级非对称结构的功能，研究者还设计了仅包含倾斜阵列结构和半锥形结构的对照样品（Janus pillars）和仅包含倾斜阵列结构和高度梯度结构的对照样品（Conical pillars）（图1C, D）。在PNAS上，液滴首先随机在表面凝结，随着时间的推移，液滴快速向结构尖端汇聚。此时，出现一种普遍存在却仍未报道过的现象：随机分布的液滴会在合并过程中重新配置并从半锥形结构的平面旋转到曲面位置，进而实现从微观到宏观的多尺度液滴的自发、快速、长程定向输运。由于极低的界面粘附和摩擦以及源源不断的能量供给（液滴合并释放的能量），液滴定向输运的速度可以达到10 cm/s（图1E）。通过对比三种样品上液滴的输运过程，研究者认为液滴的自发、快速、长程和定向输运是多级非对称结构协同作用的结果（图1F, G, H）。

图1 松针和仿松针多级非对称结构表面的形貌结构及液滴输运

研究者通过分析液滴在半锥形结构和圆锥形结构尖端的合并行为，发现液滴在合并过程中重新配置并从半锥形结构的平面旋转到曲面的现象是非对称结构诱导的尖端效应（TIF effect）导致的。我们通过研究发现，当液滴尺寸大于结构尺寸时，液滴坐落在平面上系统的总能量大于坐落在曲面上系统的总能量，因此导致液滴更倾向于坐落在曲面上。

研究者发现液滴的定向输运不仅发生在一个高度梯度结构单元上，在大尺度范围内同样存在。该工作在液滴整流器的设计原理和液滴输运的内在机理领域提出了新的见解，在微流控设备和水收集系统中具有实际和潜在的应用。该论文的第一作者为大连理工大学机械工程学院冯诗乐副教授，通讯作者为香港城市大学王钻开教授和巴黎高等物理化工学院David Quéré教授。

冯诗乐，大连理工大学机械工程学院副教授，大连理工大学“星海优青”。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月进入大连理工大学机械工程学院工作。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28篇，授权国家发明专利2项。

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