姓名:湯勝杰? 學(xué)號(hào):14020110026
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【嵌牛導(dǎo)讀】: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(dòng)，反向則會(huì)被阻斷。流體也有二極管，即液體在一根管子里只能沿著一個(gè)方向定向流動(dòng)、潤濕，反向則會(huì)被阻斷。
【嵌牛鼻子】:液體定向運(yùn)動(dòng) 流體二極管
【嵌牛提問】:流體二極管的原理是什么?流體二極管有什么實(shí)際應(yīng)用?
【嵌牛正文】:
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Manoj K. 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?fù)淞黧w二極管”，并在《科學(xué)》雜志的子刊《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表了他們的研究成果。
“拓?fù)洹币辉~由英文Topology音譯而來，有研究特定地方地形、地貌的意思。用拓?fù)湟辉~，意在表達(dá)通過對(duì)材料表面“地形地貌”（即材料表面微觀形貌）的控制，來實(shí)現(xiàn)流體的定向移動(dòng)。
液體定向移動(dòng)有什么用？
我可以告訴你，如果沒有液體定向移動(dòng)，地球上很多動(dòng)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(yùn)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(yùn)輸液體的例子很多都是靠其精妙的微觀形貌實(shí)現(xiàn)的。本文的主角“拓?fù)淞黧w二極管”也不例外。
揭開拓?fù)淞黧w二極管神秘的面紗
在拓?fù)淞黧w二極管的制造中，研究團(tuán)隊(duì)用一種特殊的凹槽構(gòu)建了一個(gè)復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)這個(gè)表面的總體結(jié)構(gòu)是一個(gè)U型島狀陣列（U-shaped island arrays）。構(gòu)成陣列的每個(gè)U型島內(nèi)都有一個(gè)U型槽，槽的頂端設(shè)計(jì)了一個(gè)凹角結(jié)構(gòu)（re-entrant structures）。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。
在研究流體二極管中液體的定向流動(dòng)時(shí)，作者發(fā)現(xiàn)，一個(gè)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(jìn)，先鋒部隊(duì)拉動(dòng)大部隊(duì)前進(jìn)。
前驅(qū)液體膜是怎么來的呢？
這要?dú)w結(jié)于一種叫角流動(dòng)的現(xiàn)象（corner flow）用宇航員喝咖啡——準(zhǔn)確來說是吸咖啡——舉個(gè)例子。在太空中失重的條件下，液體的流動(dòng)是自由無序的。但由于角流動(dòng)效應(yīng)的存在，液體更加傾向于沿著杯壁走。
宇航員在失重條件下吸咖啡，由于角流動(dòng)效應(yīng)，水沿著杯壁流動(dòng)而非無序飄散。
圖片來源：NASA
在拓?fù)淞黧w二極管中，會(huì)有一部分液體優(yōu)先沿著柵欄的側(cè)壁流動(dòng)，這部分液體抄小路鋪展，因此跑的較快，成為“先鋒部隊(duì)”。
拓?fù)淞黧w二極管的潤濕過程。首先，先鋒部隊(duì)超兩邊小路進(jìn)發(fā)，然后，大部隊(duì)趕到，與先鋒部隊(duì)匯合。緊接著，先鋒部隊(duì)再優(yōu)先潤濕下一個(gè)U型島狀結(jié)構(gòu)。這些“先鋒部隊(duì)”會(huì)優(yōu)先“抄小路”從兩邊進(jìn)入到流體二極管的U型槽中，形成前驅(qū)液體膜，但并不會(huì)超過凹角結(jié)構(gòu)的高度。隨后而來的“大部隊(duì)”會(huì)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(duì)”液體積累到一定量時(shí)，會(huì)突破凹角結(jié)構(gòu)的束縛，并與前驅(qū)液匯合，然后，就會(huì)發(fā)生“水躍現(xiàn)象”（hydraulic jump），“跳過”U型島障礙，向前流動(dòng)。所以從整體來看，液體在拓?fù)淞黧w二極管里的流動(dòng)過程并不是連續(xù)的，而是像跨欄一樣“一跳一跳”地前進(jìn)。
流體二極管的“阻斷”狀態(tài)是怎么來的？
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(dòng)的時(shí)候，被凹角結(jié)構(gòu)攔住的液體“大部隊(duì)”會(huì)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（re-entrant pinning），這樣，后續(xù)的液體“大部隊(duì)”沒法跟前驅(qū)液膜合并，也就不能順利前進(jìn)了。
換句話說，當(dāng)液體“大部隊(duì)”從下方浸潤凹角結(jié)構(gòu)的時(shí)候，流體二極管就是暢通的；當(dāng)流體“大部隊(duì)”從上方浸潤凹角結(jié)構(gòu)的時(shí)候，凹角結(jié)構(gòu)的疏水性就發(fā)揮出來了，阻斷了液體反向的流動(dòng)。
流體二極管中微觀結(jié)構(gòu)對(duì)后續(xù)液體的反向阻斷機(jī)理。凹角結(jié)構(gòu)擋住了液體“大部隊(duì)”與前驅(qū)液膜的合并，阻止了液體的流動(dòng)。
盡管壓力大到一定程度的時(shí)候，液體仍然會(huì)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(dòng)。
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(dòng)現(xiàn)象。更逆天的一點(diǎn)就是，這個(gè)傳輸甚至可以克服重力！
流體二極管在實(shí)際中有什么樣的應(yīng)用？
首先，談到二極管，第一個(gè)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(gè)個(gè)流體的邏輯門，乃至邏輯門陣列——一個(gè)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(huì)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(yùn)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(yùn)動(dòng)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?fù)淞黧w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(duì)多種液體/流體的普遍適用性，不妨假設(shè)引進(jìn)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(dòng)，說不定未來又會(huì)玩出什么樣的黑科技！讓我們共同期待這項(xiàng)前沿技術(shù)的發(fā)展吧！
