從南洋杉葉中受啟發 藉3D仿生表面張力差異控制流向

俗語有云：「人望高處，水向低流。」液體向下流動似乎是亘古不變的真理。然而，一條南洋杉葉（Araucaria leaf）卻顛覆了這種常規認知和運作。

由香港理工大學協理副校長（研究及創新）、機械工程學系講座教授王鑽開領導的團隊，從南洋杉葉中受啟發，依照其自然結構設計出具有3D鋸齒的仿南洋杉表面（ALIS）原型，讓不同液體根據其表面張力差異而可以向不同方向流動，甚至可以向上「流」。是次研究成功突破自1804年以來，困擾表面與界面科學領域210多年一直懸而未決的謎題，實現了不同液體在同一材料表面流向的可控性，如同為液體賦予「智慧」，能自主「選擇」流動方向，有望掀起智能調控液體流動的新浪潮。◆香港文匯報記者 鍾健文

自1804年英國物理學家湯瑪斯·楊格（Thomas Young）首次提出表面界面科學潤濕性基礎理論以來，科學界對液體在固體表面的運動方向達成了共識並成為傳統認知，就是液體趨向於從能量高向能量低的方向運動。在沒有外力影響下，液體在固體表面的自發運動方向，取決於材料表面的結構性質，與液體自身的種類及表面張力等屬性無關。即液體的鋪展或運動方向，取決於所在的材料表面結構性質，例如無論是將水、油或酒精滴到同樣的表面結構上，它們都會以相同的方式進行運動或鋪展。假如水向左，油和酒精也會向左；水從中心開始作出對稱鋪展，油和酒精也會從中心開始作出對稱鋪展。

但是，一條南洋杉葉就打破了這種傳統認知與共識。王鑽開接受香港文匯報訪問時分享憶述，2018年，其團隊中一名博士後研究員在海洋公園遊玩時，被園中的南洋杉葉片獨特的3D結構所吸引：它由雙重懸臂結構鋸齒周期性排列組成，同時擁有橫向和縱向曲率。

將葉片帶回實驗室研究後，團隊在該南洋杉葉上發現了意想不到的液體流動行為，長期從事仿生表面界面研究的王鑽開於是提出一個深刻的物理學問題：「在不改變固體表面結構和沒有外部能量輸入的前提下，液體能否自主選擇運動方向？」

3D鋸齒是控制關鍵

團隊在隨後三年間仿照南洋杉葉的自然結構，設計出具有3D鋸齒的仿南洋杉表面（ALIS）原型，並在上面置放不同混合比例的乙醇（酒精）和水，發現因為表面張力的不同，混合液會分成3個方向流動：當酒精含量低於10%，液體會逆鋸齒方向倒流；含量40%以上酒精的液體會順鋸齒方向流動；酒精佔10%至40%時更會雙向流動。

王鑽開表示，其團隊發現這毫米級的3D鋸齒，會令液體在其表面上受毛細力作用（capillary action）影響而流動。鋸齒的結構與尺寸，特別是鋸齒尖端向內彎的勾狀結構、鋸齒尖端之間的距離，均是控制液體流向的關鍵。他解釋，以像水一般表面張力高的液體為例，表面張力會將液體固定在3D鋸齒的尖端，由於鋸齒尖端的間距與液體的毛細長度相若，液體可以逆鋸齒傾斜的方向向後倒流；相反，像乙醇一般表面張力低的液體，其表面張力成為了驅動力，令液體順着鋸齒傾斜的方向向前流動，可見適當設計新型的毛細鋸齒，就可以營造足夠空間令液體「選擇」流向。

最大化實現水向上「流」

更有趣的是，團隊實驗發現，水和乙醇的混合液體在適當比例下，會同時以雙向流動。同時，ALIS更可顯著促進毛細上升現象（capillary rise），無論是上升速度和高度都比多種微米和納米結構材料更佳，最大化實現水向上「流」。

王鑽開表示，其團隊觀察到不同液體向多個方向流動，是科學界首次記錄到的現象，「就像魔術一樣」，而透過混合不同比例的水和乙醇，可得出不同表面張力的液體，由此可操控液體的流向，「根據常規認知，液體流動方向主要由物料表面結構決定，與液體特性如表面張力無關，我們的研究首次展示可控制液體傳輸方向，成功解開自1804年以來在表面與界面科學領域的難題。」

是次研究為智能液體傳輸研究開拓了新領域，有關論文在去年底王鑽開任職香港城市大學時於國際權威期刊《科學》發表，並有多名城大、大連理工大學及香港大學科研人員參與。