結構化表面通過界面能實現無外部力驅動的定向液體操控，在微流控、綠色能源和生物醫學等領域中展現出巨大的應用潛力。雖然固體表面與液體之間的界面能相互作用對液體操控至關重要，但目前對如何平衡液固界面能以影響多樣化液體行為的系統理解仍然不足。這種理論研究的滯后性限制了高效液體操控系統的設計和優化能力。因此，對其深入研究具有重要的理論指導和實際應用意義。
近日，香港大學機械工程系的Alan C. H. Tsang教授團隊通過曲率棘輪表面作為示例，揭示了精細液固界面能調控下的復雜定向液體動力學。團隊使用摩方精密microArch? S240（精度：10 μm）3D打印系統制備了結構化表面。曲率和傾斜的雙重特征調節了拉普拉斯壓力的不對稱性，從而實現了定向、雙向和反向的靈活液體操控（圖1）。這些過程可以通過控制固體表面的自由能和液體的表面張力進行調節，其比率被定義為一個新的無量綱數ζ，用以表征液固界面能關系。研究發現，當ζ ～ 1時，液體控制達到平衡，這種狀態能夠促進多種液體行為。通過匹配界面結構設計和適當的液固界面能關系（即ζ值），能有效推動智能液體操控概念的實現。這一新準則也啟發了一種基于液體的信息加密技術，其中液體僅在指定的ζ值區間內，才能在預編程的結構表面上顯示正確的信息，從而進一步拓寬了相關應用領域的邊界。
相關研究以“Smart Directional Liquid Manipulation on Curvature-Ratchet Surfaces”為題發表在學術期刊《ACS Nano》上，香港大學機械系博士研究生苗佳麒為本文第一作者，Alan C. H. Tsang教授為本文通訊作者，香港大學為該論文的唯一通信單位。
研究人員通過對結構化表面進行親水/疏水處理，探討了液固界面能關系對液體行為的影響，并將表面對液體行為的控制分為三類：過度控制（ζ ? 1）、平衡態（ζ ～ 1）和控制不足（ζ ? 1）。在平衡態下，液固界面能系統保持相對均衡，這有助于結合表面結構設計，實現多樣化的智能液體操控（圖）。
不同液固界面能系統下的三類液體控制區間
為了展示綜合考慮表面結構設計與液固界面能關系所促進的智能液體操控新認知，研究人員采用了三類不用的表面設計，展示了豐富的液體行為，包括扇形擴散、梯度間隔誘導的重定向和往復換向傳輸（圖）。無一例外地，這些行為的出現都基于特定結構與合適液固界面能關系（即ζ值）的匹配。
不同表面陣列結構上的豐富液體行為
研究團隊基于提出的智能液體操控概念，拓展了基于液體的信息加密技術（圖）。具體而言，信息被編碼在結構化設計中，而匹配的液固界面能關系（ζ值）則作為解密的鑰匙，用于解碼不同的信息（如數字、圖案等）。
基于液體的信息加密技術
在這項工作中，研究人員捕捉到了由于液固界面能系統的細微變化而引起的相同表面設計下不同的液體動力學。這一發現有望解決長期以來對固定表面上單調液體行為的批評，增強其作為解決未來實際應用挑戰的可行性。研究確定的平衡控制區間（ζ ～ 1）適用于在三維表面形貌上的液體操控（如本研究所討論的曲率棘輪表面）。而在引導具有多級結構的超親水表面上的二維液體操控時，ζ ? 1可能也是合適的控制區間；在異質超疏水結構表面上，ζ ? 1區間將有助于操控液滴的彈跳行為，以確保極低的表面自由能不會阻礙預期的液滴彈跳。此外，考慮到具有異常潤濕特性的表面時（如同時具有親水和疏油特性），僅依賴ζ作為標準似乎不足。這些復雜性問題表明，當前亟需發展一套普適性的智能液體操控理論體系，以應對多樣化應用場景的需求。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c18229
