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滴酒不沾的公道杯
2019-06-19  來源:中國聚合物網

  明朝時期,我國發明了一種瓷制酒杯。此杯內部有一條水位線,當杯內液體低于水位線時,這是一個正常的容器;高于水位線時,杯內的液體會通過虹吸效應從杯底漏光(圖1)。洪武皇帝把這個杯子命名為公道杯,寓意知足水存、貪心水盡。在古希臘,畢達哥拉斯發明了與之類似的杯子,用于約束嗜酒者適度飲酒。

圖1公道杯虹吸效應

  如今,虹吸效應已經廣泛應用于人們的生活,如我們日常使用的意式咖啡壺、洗手池、馬桶等。尤其是在利用虹吸效應給魚缸換水時,我們通常需要先在管內加滿水,再將其插入缸中;或者對著水管猛嘬一口來實現水的填充。我們似乎已經對這些操作習以為常,但如果能實現自虹吸效應,那么就能輕松解決很多管道流體輸送的難題。

  近日,中國科學院理化技術研究所仿生材料與界面科學重點實驗室董智超團隊在液體自虹吸領域取得了新進展。這一年輕的研究團隊始終著眼于用仿生方式解決生產生活和工程技術中的難題,相繼發明和改進了多種日用品,如制作了超疏水的鞋子,用于防止雨天走路時的泥水迸濺(Adv. Mater. 2015,  27, 1745);發明了超疏水移液槍頭,用于解決轉移微量液體時因液體殘留造成的轉移量不精準的問題(ACS Nano 2013, 10, 10371)。

  最近,董智超團隊受到水滴在豬籠草口緣表面連續自發定向輸運現象的啟發,以3D打印技術仿生制備了豬籠草口緣結構,成功地利用基底表面能的釋放實現了水的逆重力定向爬升(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 14988;Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 13623)。研究過程中,他們驚喜地發現仿生豬籠草結構表面陣列化的傾斜微坑能夠牢牢束縛一層水膜。這層水膜的存在降低了液體輸運過程中的粘滯阻力,使后續液體的輸運速度可以提升兩個數量級。根據這一特性,該團隊成功地仿生制備了一種內壁具有豬籠草結構的管道。管內壁的豬籠草結構能夠有效束縛自發爬升的水膜,并將這層水膜作為潤滑層以降低液體在毛細上升時的粘滯阻力,同時將毛細管內壁的浸潤性由親水轉變為超親水,大幅提升水在管道內的毛細上升高度與速度,為實現液體的自虹吸效應打下堅實基礎。

  自虹吸豬籠草管道不像公道杯一樣需要將杯具或管道預先充滿水來觸發虹吸效應。只需將其彎曲成拐杖形并放置在杯子側壁上,少量的水就能在增強的毛細上升作用下自發充滿整個管道,然后從另一端流出。這種依靠內壁結構增強毛細作用實現的管道自虹吸效應無需外部能量輸入便能進行高通量、跨重力勢壘的液體連續輸運。該研究將激勵新一代無泵微流體裝置的發展。

  相關研究成果發表在美國科學院院刊(PNAS)上,論文標題為Bioinspired inner-microstructured tube-controlled capillary rise。論文第一作者為中科院理化所李儲鑫博士,通訊作者為中科院理化所董智超助理研究員。相關工作得到國家自然科學基金委員會(21703270)的大力支持。

  文章鏈接:https://doi.org/10.1073/pnas.1821493116

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