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我校教师在Science上发表流体力学领域突破性工作

时间:2021-09-17   来源:机械工程学院 党委宣传部 新闻中心      

9月17日,我校机械工程学院冯诗乐副教授,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。

2018年,尚在做博士后的冯诗乐到香港一个种植南洋杉的主题公园游玩时,被南洋杉叶子表面独特的双重悬臂结构深深吸引。南洋杉的叶子由向尖端倾斜的锯齿周期性排列组成,每个锯齿有一个尖端,其表面具有横向和纵向的曲率。专注于仿生功能表面流体动态行为研究的他敏锐地意识到,这种特殊结构可能会对流体运动状态产生影响,他立刻回到实验室开展相关研究。

图1 南洋杉叶片结构形貌特征及流体运动行为

冯诗乐初步实验发现,在南洋杉叶片表面上,不同表面张力的流体运动方向并不相同:酒精沿着结构倾斜的方向输运,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。这一发现打破了自1804Thomas Young首次提出表/界面科学润湿性理论以来的传统认知:液体在固体表面的自发运动趋向于向系统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。并且这一现象看似简单,却提出了一个深刻的科学问题:在不改变表面结构和无能量输入的前提下,液体能否自主选择运动方向?基于此,冯诗乐及其合作者开展了深入研究。

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,与传统微米结构表面仅能诱发2D固/液界面作用不同,其表面能够诱发非对称3D固/液界面交互作用,调控不同表面张力流体的铺展模式,进而实现同一表面上流体的自主择向。

图2 仿南洋杉叶片结构功能表面上流体的自主择向

既然南洋杉叶片能实现流体自主择向,那么仿南洋杉结构功能表面(ALIS)能不能达到一样的效果呢?研究团队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。同时,该仿生功能表面能够显著促进或抑制毛细现象,且能够在没有任何纳米结构的前提下实现快速和长程的毛细效应。

该研究通过观察亚毫米级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,为开发流体操控在自然系统和实际工程,如冷凝换热、界面减阻、喷墨打印、自清洁、防污、防腐、抗结冰、能源收集等领域的广泛应用提供理论依据和技术支撑。研究成果被选为Science News提前宣传,并得到英国《泰晤士报》、香港《南华早报》等国内外知名媒体广泛报道。

我校冯诗乐副教授和香港城市大学朱平安助理教授为本研究共同第一作者,研究成果部分得到国家自然科学基金青年基金项目、bbin平台星海人才培育计划“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。本研究合作者包括香港城市大学机械工程系郑焕玺、李加乾,bbin平台机械工程学院詹海洋、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。

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编辑:秦博昱   审核:赫铭
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