控製液體的定向運輸對於界麵工程、微流控技術、強化傳熱和生化分析等具有重要意義。現有技術能在無外部能量輸入條件下實現定向運輸液體，但修飾潤濕性梯度或結構的表麵對液體操控的驅動力常局限在一維方向，限製了液體的運輸隻能在一維兩個方向內調控，而無法實現多向可控運輸，在一定程度上製約了液體操控表麵功能的進一步開發和應用拓展。

為實現多向調控液體，香港理工大學王立秋教授團隊提出了由陣列式三維不對稱尖牙結構單元組成的結構化表麵，為不同表麵張力液體定製運輸方向，並呈現出五種新穎的運輸模式（圖1）。這種智能調控液體的能力源於所設計表麵單元自下而上分布的多曲率特征，在三維空間上交替地主導液體表麵的局部拉普拉斯壓差，從而原位控製不同潤濕性液體的多樣定向運輸模式。該表麵根據液體特性實施多模式控製的能力使其具備傳統結構化表麵難以實現的創新功能，如構建自適應液體電路、便攜式表麵張力指示器、智能調控液體及按需熱管理。該研究以“In Situ Multi-Directional Liquid Manipulation Enabled by 3D Asymmetric Fang-Structured Surface”為題發表於《Advanced Materials》，團隊博士生孫思琦為論文第一作者，王立秋講席教授為通訊作者，張藝媛研究助理教授為共同通訊作者。

圖1：結構化表麵上的多向液體運輸行為及潛在應用。

視頻1：多向液體運輸行為及表麵單元的多曲率結構對液體定向運輸起主導作用的曲率特征。

原位多模態定向液體操控機製

注入結構化表麵的液體首先填充相鄰四個單元間的空隙，並在單元的特定曲率結構處形成局部曲率不等的液體彎月麵，這導致液體表麵不同位置的拉普拉斯壓差不同，進而驅動液體定向運輸。隨表麵張力從低到高（22-72 mN/m），液體呈現出五種不同的運輸模式（I至Ⅴ）。研究人員利用水-乙醇溶液對這五種模式下液體沿x軸和y軸方向上的運輸行為進行力學分析（圖2）。表麵張力較低的液體對界麵的潤濕性較高，因此主要在單元底部曲率結構作用下，沿拉普拉斯壓差較低的方向運輸；而表麵張力較高的液體會在結構化表麵上積累，其運輸方向由單元頂部曲率調控。

圖2：注入液體在表麵上的多向運輸機製及拓展。

自適應液體電路

結構化表麵可根據液體表麵張力控製不同的運輸方向，從而僅用一塊表麵即可構建自適應液體特性的多路徑電路，而無需組裝複雜的液體控製模塊。如圖3所示，通過使用特定表麵張力的導電液體，能在該表麵上選擇性點亮目標LED燈，從而簡化了複雜電路的構建。

便攜式表麵張力指示器

結構化表麵使不同表麵張力的液體呈現肉眼可分的特定鋪展形態。因此，隻需將液體用滴管注入結構化表麵，就可根據其鋪展方向推斷液體表麵張力範圍，而無需使用任何昂貴的定量檢測儀器。研究人員開發出一係列有不同單元高度的結構化表麵來細化可識別的表麵張力分區，以提高指示精度（圖3）。

圖3：自適應液體電路和便攜式表麵張力指示。

智能液體調控實現按需熱管理

在熱交換應用中，溫度導致的液體性質變化是一個廣泛存在的現象，給傳統的液體操縱表麵在高溫環境下的應用帶來了挑戰。本研究提出的結構化表麵能在高溫環境下有效維持對液體的定向運輸。並在高溫導致的液體表麵張力變化下，完成了在持續變溫表麵上對液體運輸方向的智能調控，和在恒溫加熱表麵上時空可控的靶向冷卻（圖4）。這種基於溫度調控液體性質的智能液體運輸能力，為按需熱管理提供了新的解決方案。

圖4：高溫表麵上的動態液體運輸控製和時空可控的靶向冷卻。