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香港大学工程学者发明新型液滴操控技术

  香港10月4日,本报记者从香港大学获悉,香港大学机械工程系的研究人员在液滴操纵方面取得重要突破,他们发现,液滴在无外力或能量供给的情况下,可在晶体的光滑均质表面上,自动滑行一段长距离。这是科学界首次发现液滴在压晶体管的表面上,可自动并定向地运动,对液滴操纵传输的意义重大。

  由港大机械工程系香港研究资助局博士后研究员唐欣,博士后研究员李威及热流科学与工程讲座教授王立秋组成的研究团队,在室温下,如果把一个冷、热或挥发性液滴,滴落在压电单晶铌酸锂的平滑表面上,液滴即自发地沿直线移动一段长至50倍于液滴半径的距离。而因着晶体的不同切割面所形成的平面,液滴可以分作单向、双分叉、甚至三分叉方向行走。

  这项发现已在学术期刊NatureNanotechnology中一篇题为“Furcated Droplet Motility onCrystalline Surfaces” 的论文发表。

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  王立秋教授说:“液滴只要与接触的晶体平面有大约5摄氏度的温和温差,就能自行驱动。想象一下在光滑水平的桌面放置一个小球,这个小球不是保持静止状态,而是自己滚动,并沿着某几个特定方向行走。这是一个出乎意料的现象,在科研和应用上有丰厚潜力。液滴在固体平面上的定向、持续自运动对于热管理、海水淡化、材料自动递送等诸多领域都有重要意义。”

  传统的液滴传输方法,是通过在固体表面上制造化学润湿梯度或各向异性物理结构来精确输运液体。这种方法就好像在固体表面制作一个传送带用以输运小球。今次是首次发现铌酸锂平面在液滴温差下会产生电能,推动液滴流动。

  压电单晶一般在受压的情况下会产生电能。研究人员发现,铌酸锂这种晶面上液滴的定向运动是由跨尺度的热压电耦合所驱动。这现象源于晶体内部各向异性的原子排布结构。

  简单说来,压电单晶光滑均质表面的原子以一种特殊方式排列,带着温差的液滴,令晶体膨胀或收缩受压,激发出电场,以此驱动液滴朝固定方向运动,而运动的方向,则取决于压电单晶材料的切割角度。

  “我们的研究,为实现液滴在光滑均质表面上作自动、可控和定向输运,提供了新颖和有效的解决方案,有助解决一些长期在热管理等方面的难题,例如器件抗结冰,除霜以及潮湿环境下的防雾系统等,提供全新的应对思路。”唐欣博士表示。

  当液滴接触过冷的表面时,例如低温机翼及电缆,液滴会实时冻结在表面上。液体自驱能及时移除凝结液滴以显著提升凝结换热效能。可以想象,当液滴接触压晶体表面,实时激发产生的电场会扰动凝结的液滴令结冰过程减慢,以此降低界面粘附力并推迟冰霜积聚,达至抗结冰和除霜的效果。

  在太空微重力环境下,积聚凝结的液滴无法通过重力牵引或移除,液体自驱其不需外力引动的特性,对于太空应用尤其有吸引力。

  此外,叉状的液滴运动路线可通过施加特定微扰动,例如微电场等,以人工选择移动的方向。这样晶体表面可作为平面双向或三向阀,构建出复杂的液滴通路,用以输运包含着讯息、化学或生物物质的液滴载体。

  “显然这项液体控制技术能适用于多种液体,而除了铌酸锂,其他的压晶体管类型也有待开发,因而能够为未来相关新材料及技术的发展带来许多机遇。”李威博士说。

  (《中国基建报》记者 LindaWong 报道)

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