香港大学《Nature Nanotechnology》：液滴自推进，无需外力！

编辑推荐：通常，当液滴放置在水平均匀的非润湿表面时，液体倾向于随机滚动。本文在没有任何明显不对称或外力的情况下，在均匀晶体表面提出了意想不到的分叉液体自推进。这项工作使得一种具有可控性、多功能性和性能的液体输送和运输的创新方法成为可能，这项发现在许多领域具有相当大的技术潜力。

定向液体运动，通常是通过功能化化学不均匀性或纹理拓扑各向异性来介导的。在此，来自香港大学的王立秋等研究者报道在没有任何明显不对称或外力的情况下，在压电单晶上以明确方向分叉的液滴的自推进。相关论文以题为“Furcated droplet motility on crystalline surfaces”发表在顶尖期刊Nature Nanotechnology上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-021-00945-w

当液滴放置在水平和均匀的非润湿表面时，液体倾向于随机滚动。这种现象可以在热表面(大约200°C)上的小莱顿弗罗斯特液滴的各向同性自推进中观察到。在从流体处理到热管理的许多应用中，定向和快速液体输送起着关键作用。

在此，为了打破接触线的对称性，研究者将固体表面预先设计成具有拓扑各向异性或化学/电不均匀性，这是一种被广泛用于导航液体输运的方法。研究观察到，在光滑、均匀的单晶表面上，具有温和温度差(大约5°C)的液滴可以在没有任何明显外力或不对称的情况下，向明确的方向自行推进。根据与液滴接触的晶体表面，直线运动轨迹可以是单向的，也可以是多方向的，这在本质上表现为分叉的路线。当液体挥发时，这种未被识别的自推进可以在环境温度下自我维持，无需任何额外的能量输入，表现出不受距离限制的连续运动。

在此，研究者通过选择与液滴接触的晶体平面，热弹性和压电相互作用产生了复杂的电势轮廓，使各种形式的自推进成为可能，包括单向推进、分岔推进和三叉推进。这种效应源于各向异性的晶体结构，产生了对比的宏观液体行为，并观察到冷/热和挥发性液滴。本质导向的液体运动在从软物质工程、自主材料传递和热管理到生化分析的过程中具有广泛的适用性。

图1 分叉液滴自推进。

图2 热-压电耦合。

在图2a中，撞击晶体的液滴大约在10ms内达到最大接触长度R(t)，图2b记录了自推进在三个不同晶面上的位置R(t)(见视频)。在和两个平面上，液滴在接近静止接触约25 ms后，缓慢移动，然后在约50 ms时突然上升至最大速度。(0001)平面上的液滴也有类似的趋势，但响应较慢(在125毫秒左右达到最大速度)。快速的加速度表明，推力在前100 ms左右迅速发展，热量通过LiNbO₃扩散的距离为，其中α_diff,l为LiNbO₃的热扩散系数。对于不同的晶面，热传递是轴对称的，难以区分。通过红外热成像证实，热扩散长度小于晶片厚度(z_l = 500 μm)，可以将液滴和晶片近似为两个接触的半无限体。

图3 自推进动力学。

在图3a中，在ΔT =−18°C的推进过程中液滴的接触角比环境温度下的接触角低，揭示了电介质上的电润湿特征(如图3g所示)。然而，在不同的晶面上，前进(θ_a)和后退(θ_r)接触角的变化是不同的。在(0001)平面上，θ_a和θ_r波动，无明显趋势。相比之下，推进启动后，θ_r总是大于θ_a上，但总是小于θ_a平面。

图4 蒸发驱动自推进。

综上所述，在没有任何明显不对称的情况下，研究者在均匀的晶体表面上提出了意想不到的分叉液体自推进。分叉运动源于晶体各向异性，通过热弹性-压电耦合产生一种独特的跨尺度多物理相互作用，产生晶体平面依赖的表面电位模式。液滴在表面推进，就好像它们携带着自己的驱动电极。利用一个简单的半无限体散热模型，平衡电动力和粘性阻力，研究者捕获和描绘了自发和整体推进。挥发性溶剂蒸发产生的热能可以在不需要任何外部能源供应的情况下实现液体连续推进。显然，这也适用于其他液体和压电晶体。

这项工作使得一种具有可控性、多功能性和性能的液体输送和运输的创新方法成为可能。自推进可以通过消除表面的热障来提高液滴凝结的性能，从而为在没有重力辅助液滴脱落的空间中加强相变热转换提供一个潜在的解决方案。总体来说，这项工作的发现在许多领域具有相当大的技术潜力，包括生物/化学分析、软物质工程和制造、热管理、海水淡化和蒸馏等等。（文：水生）