破解物理學(xué)之謎

文/路 遙

電路中的二極管想必大家并不陌生，大名鼎鼎的LED就是其中的一種。在二極管中，電流只能朝單方向流動，反向則會被阻斷。但如果我告訴你，流體也有二極管，即液體在一根管子里只能沿著一個方向定向流動、潤濕，反向則會被阻斷，你或許就要疑惑了，這是怎么做到的呢？近日，香港城市大學(xué)博士研究生李加乾和中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所周曉峰博士在香港城市大學(xué)王鉆開教授和美國Lehigh大學(xué)的 ManojK.Chaudhury教授的指導(dǎo)下，聯(lián)合為大家展示了一種通過調(diào)整表面微觀形貌，控制液體流向的“拓撲流體二極管”，并在《科學(xué)》雜志的子刊《科學(xué)進展》上發(fā)表了他們的研究成果。

“拓撲”一詞由英文Topology音譯而來，有研究特定地方地形、地貌的意思。王鉆開和同事們用拓撲一詞，意在表達通過對材料表面“地形地貌”（即材料表面微觀形貌）的控制，來實現(xiàn)流體的定向移動。

你可能會問，液體定向移動有什么用？我可以告訴你，如果沒有液體定向移動，地球上很多動植物就都要滅絕。比如沙漠甲蟲，利用背后親水的區(qū)域收集水，再利用親水和疏水區(qū)域形成的流體通道將收集的水自發(fā)定向地運輸?shù)阶炖?。再比如仙人掌，在沙漠中通過刺來收集水汽，收集的水沿著刺的外端自發(fā)定向地傳送到仙人掌的身上。當(dāng)然，這種例子并不只在沙漠中才有。像豬籠草的“嘴唇”和蜥蜴的皮膚也具有類似功能。

自然界中這些自發(fā)、定向運輸液體的例子很多都是靠其精妙的微觀形貌實現(xiàn)的。本文的主角“拓撲流體二極管”也不例外。接下來我就帶大家來揭開拓撲流體二極管這項黑科技神秘的面紗。

在拓撲流體二極管的制造中，研究團隊用一種特殊的凹槽構(gòu)建了一個復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)。這個表面的總體結(jié)構(gòu)是一個U型島狀陣列。構(gòu)成陣列的每個U型島內(nèi)都有一個U型槽，槽的頂端設(shè)計了一個凹角結(jié)構(gòu)。這凹角結(jié)構(gòu)可不是為了好看，而是為了改變表面的潤濕性。

根據(jù)密西根大學(xué)Anish Tuteja教授早期的研究，這種凹角結(jié)構(gòu)可以不借助任何化學(xué)修飾，讓一個親水表面變成疏水表面。那么，以這種凹角結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的這一系列設(shè)計，會達到什么效果呢？當(dāng)水滴滴在該表面上時，這滴水并不會像生活中常見的那樣向四處無序地鋪展，而是會沿著單一方向鋪展開來。盡管在相反的方向上也會有較小程度的潤濕，但這種潤濕很快就被流體二極管截斷了。

不止是水，作者還嘗試了乙醇、甘醇等其他表面張力、密度、潤濕性各不相同的液體，發(fā)現(xiàn)這些液體在流體二極管上也有類似現(xiàn)象。這證明，流體二極管具有普遍適用性。

可別小看流體二極管的設(shè)計，它解決了一個物理學(xué)中十多年來都很難解釋的現(xiàn)象。早在2005年，Manoj K.Chaudhury和 Ankur Chaudhury教授發(fā)現(xiàn)，在一個有水滴線性排列的疏水表面上，油在初始狀態(tài)時擴展得很慢。但當(dāng)油逐漸積累、連在一起并覆蓋水滴的時候，油就擴展得很快。這就好比在一個僅一人能通過的胡同（疏水表面）里，橫著幾座矮墻（水滴），想要過胡同必須要翻墻。最先爬墻的人（油）比較費力，但是當(dāng)爬過去的人多了，有一部分人就會留在墻根底下幫助其他人，這樣后來的人爬墻就比較容易了。

盡管此后有一些研究試圖解釋這個現(xiàn)象，但對于油如何突破、克服初始階段緩慢擴展的屏障，并沒有人能給出答案，因此這也成了一個懸而未決的迷。直到最近——

在研究流體二極管中液體的定向流動時，作者發(fā)現(xiàn)，一個前驅(qū)的液體膜起著關(guān)鍵性的作用——后續(xù)的液體更愿意沿著“前人”的足跡前進，先鋒部隊拉動大部隊前進。那么這個前驅(qū)液體膜又是怎么來的呢？這要歸結(jié)于一種叫角流動的現(xiàn)象。用宇航員喝咖啡——準確來說是吸咖啡——舉個例子。在太空中失重的條件下，液體的流動是自由無序的。但由于角流動效應(yīng)的存在，液體更加傾向于沿著杯壁走。

在拓撲流體二極管中，會有一部分液體優(yōu)先沿著柵欄的側(cè)壁流動，這部分液體抄小路鋪展，因此跑得較快，成為“先鋒部隊”。

這些“先鋒部隊”會優(yōu)先“抄小路”從兩邊進入到流體二極管的U型槽中，形成前驅(qū)液體膜，但并不會超過凹角結(jié)構(gòu)的高度。隨后而來的“大部隊”會被凹角結(jié)構(gòu)所阻隔，堆積在U型槽里。當(dāng)被阻隔的“大部隊”液體積累到一定量時，會突破凹角結(jié)構(gòu)的束縛，并與前驅(qū)液匯合，然后，就會發(fā)生“水躍現(xiàn)象”，“跳過”U 型島障礙，向前流動。所以從整體來看，液體在拓撲流體二極管里的流動過程并不是連續(xù)的，而是像跨欄一樣“一跳一跳”地前進。

流體二極管的正向始終處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，那么它反向的“阻斷”狀態(tài)又是怎么來的呢？原因還要從表面結(jié)構(gòu)上找。當(dāng)液體嘗試在流體二極管中反向流動的時候，被凹角結(jié)構(gòu)攔住的液體“大部隊”會從上方潤濕凹角結(jié)構(gòu)，凹角結(jié)構(gòu)擋住了下方的“前驅(qū)液膜”，形成凹角阻隔，這樣，后續(xù)的液體“大部隊”沒法跟前驅(qū)液膜合并，也就不能順利前進了。

盡管壓力大到一定程度的時候，液體仍然會突破凹角結(jié)構(gòu)，但由于流體二極管正向“導(dǎo)通”狀態(tài)非常好，使得液體都愿意往正向跑，因此反向的壓力很難增加到突破凹角結(jié)構(gòu)的程度，就這樣，反向的“生意”就都被正向搶跑了，這就促成了液體在流體二極管上的單向流動。

研究人員還將流體二極管擺成圓形和螺旋形向大家展示宏觀上液體自發(fā)的、長距離的定向流動現(xiàn)象。更逆天的一點就是，這個傳輸甚至可以克服重力！

那么流體二極管在實際中會有什么樣的應(yīng)用呢？

首先，談到二極管，第一個想到的應(yīng)該就是邏輯電路了吧。流體二極管可以構(gòu)建一個個流體的邏輯門，乃至邏輯門陣列——一個流體的“邏輯電路”。這樣的“流體邏輯電路”應(yīng)用在微流體控制領(lǐng)域，會大大加快制藥、電子冷卻等行業(yè)的發(fā)展。其次，流體控制或許也可用于散熱。設(shè)想一下，如果能讓冷卻液自發(fā)地返回到蒸發(fā)端，那可以節(jié)省多少成本和能量？再次，這種液體自發(fā)運輸或許還可用于航空航天領(lǐng)域。在微重力的條件下，控制流體運動的方向往往需要更多的能量輸入，連喝杯咖啡都要“吸”著喝。拓撲流體二極管可以讓航天員在太空中喝到不用“吸”的咖啡！最后，我們來大膽設(shè)想一下，由于流體二極管對多種液體/流體的普遍適用性，不妨假設(shè)引進其他形式的流體，如磁流體—流體二極管/邏輯門，控制磁流體定向移動，說不定未來又會玩出什么樣的黑科技！讓我們共同期待這項前沿技術(shù)的發(fā)展吧！