日照香爐生紫煙，遙看瀑布掛前川。
飛流直下三千尺，疑是銀河落九天。
我們都知道，水往低處流！
對於李白的這首詩，牛頓肯定沒有意見！
因為，“水往低處流”是自然界的普遍現象，這是由於受到重力的作用，使水的重力勢能轉化為動能而向下運動。
但是，有一位90後，卻發現了違背“常識”的現象：
水可以往高處流。
不信？請看實驗動圖：
小液滴自己爬坡了！
大千世界，真是無奇不有！
這並不是偶然的，而是有著深刻的科學原因。
圖：由可印刷的表面電荷密度梯度介導的液滴輸運
實際上，在極度超親水的表面上，在毛細作用下液滴可以自下而上定向自發傳輸，產生類似於電子二極管的流體二極管行為。
但是，許多工程應用都要涉及到類似荷葉的超疏水的表面，在這樣的表面上液滴呈現球狀，水與固體表面有著非常小的接觸面積。
為了實現在疏水錶面上自發定向輸運，傳統的做法是依賴化學或者結構梯度，從而使液滴產生不對稱的驅動力，以克服三相接觸線釘扎產生的阻力。
然而，現有的辦法都不可避免地存在傳輸速度慢或者傳輸距離短的缺點。儘管藉助溫度場讓液滴維持在萊登夫洛施特（Leidenfrost）狀態從而實現液滴的快速運動，但是，額外的高溫給實際應用帶來一定的侷限性。
如何實現常溫環境下液滴的自發、快速和定向傳輸，甚至能克服重力從下往高處運動，是個長期以來懸而未決的挑戰。
這個問題，最終被電子科技大學基礎與前沿研究院鄧旭教授領導的膠體與智能界面團隊攻克了。
他們在國際頂尖期刊《自然–材料》（Nature Materials，2018年影響因子39.235）上發表研究成果，題為“Surface charge printing for programmed droplet transport”。
該研究實現了在不依靠外部能量供給情況下液滴的快速長距離自驅動傳輸，液滴甚至能從超疏水錶面下端垂直向上迅速爬升。
基礎與前沿研究院博士生孫強強為論文第一作者，基礎與前沿研究院鄧旭教授、香港城市大學王鑽開教授、德國馬克斯-普朗克高分子研究所Hans-Jürgen Butt教授為論文通訊作者。
電子科技大學基礎與前沿研究院為論文第一單位，這也是電子科技大學首次以第一單位在該期刊發表論文。
他們是怎麼做的呢？
圖：水滴反重力垂直向上傳輸
圖：水滴反重力懸掛傳輸
在論文中，他們第一次引入電荷梯度的概念，即表面電荷密度梯度 (SCD gradient)，通過控制撞擊高度的連續變化，打印出具有表面電荷密度梯度的特定路徑，進而引導水滴的自推進，成功地實現了液滴的快速、長程、無損失傳輸。
這種室溫下類似萊登夫洛施特（Leidenfrost）的傳輸，能以高達1.1m/s的速度自推進，傳輸距離理論上無限制。
基於這種表面電荷密度梯度介導的液滴運輸，他們展示了以水滴作為輪子的小車沿帶電路徑自推進的過程(Cargo device)。
同時，他們還發展了基於表面電荷打印方法的無槍頭式移液槍(Tipless pipette)，可用於低表面能和高粘度液滴的無損失轉移。
圖：自推進機理和性能對比
圖：弧線及無限制傳輸
圖：弧線及無限制傳輸
圖：以電荷梯度路徑為軌道，水滴為輪子的載物裝置
圖：無槍頭式移液槍的設計應用
這篇論文提出的固液界面接觸分離後的滯留電荷，對流體動力學的影響是顯而易見的，因為在固液界面的動力學作用中，浸潤和帶電現象往往是同時存在的。
打印表面電荷的方法使我們能夠開發新的傳感和驅動系統，包括芯片實驗室、微流體器件和生物液滴分析裝置。
液滴打印表面電荷在其他眾多領域還具有重要的應用和理論價值，如納米自組裝、影印及靜電電化學等領域，同時這有助於加深對接觸帶電機理的理解。
在設計其他多功能表面時，這種疏水錶面的電荷效應，也是值得關注的。
取得這個科學發現，並不是他們運氣好！
“以前沒有任何一種方法讓水滴超快超長距離傳輸，我們這項研究成果使得表面電荷梯度引起水滴自運輸，還能抵抗重力，繼而實現了‘水往高處走’的景象。”孫強強說。
90後博士孫強強
一般情況下，水在超疏水錶面（比如荷葉的表面）會因為重力的作用而向下運動，會隨著外力或重力的作用而發生無規則或者向下運動。
荷葉的超強疏水性
荷葉表面神奇的納米結構
那麼，到底怎麼樣實現在超疏水錶面上液滴的自發定向輸運，甚至能克服重力從下往高處運動呢？
據介紹，近年來孫強強主要就是在做“表面電荷打印用於程序化液滴傳輸”這一材料科學領域的研究，這項課題從開始發現現象到最後文章發表，歷時兩年半。
期間，他經歷了實驗探索與設計，數據分析，文章寫作、修改、投稿的漫長過程。
在實驗探索階段，他經常發現一些新奇而又無法解釋的現象，著實讓人困惑。
面對這樣的問題，只能反覆實驗，仔細觀察實驗現象，加強理論學習，小心求證。
泡實驗室是家常便飯
在對實驗現象有了較深入理解後，還要對其進行進一步設計，由於研究的課題沒有文獻可以直接參考，多數時候只能靠自己在實驗室不斷嘗試，去獲得新的東西，這個過程是對意志和身體素質的考驗。
面對審稿人大量而又尖銳的問題，孫強強只能選擇冷靜、踏踏實實地去回答，由於要趕時間，他犧牲掉了春節和國慶假期。
“當然，在回答完審稿人意見後，我發現這篇文章質量明顯得到了提高。”孫強強說，“總的來說，科學研究的過程是艱辛而漫長的，不僅要求自己對科學敏銳的嗅覺，還要求擁有堅韌的意志和強健的體魄。”
做出這項研究，還得益於他的導師鄧旭教授的悉心指導。
電子科技大學 基礎與前沿研究院 鄧旭教授
鄧旭，電子科技大學基礎與前沿研究院教授。馬普中德聯合界面材料夥伴小組組長。主要從事膠體界面、物理化學、仿生材料等相關研究。承擔國際合作專項、國家自然科學基金項目多項，申請歐洲國家發明專利3項，美國發明專利2項。研究成果在Science, Nature Materials, PNAS, Nature communication, Physical Review Letter等國際著名雜誌發表文章40餘篇。科研成果被 Nature Nanotechnology，Nature Physics，MIT Technology Review 等多次作為專題報道。
這項研究成果，到底有什麼用？
作為一項基礎性的技術，它將在眾多領域產生影響，從而改變人們的生產生活。
——比如，該技術可用於集水器，在乾旱地區，可以從空氣或霧氣中收集水分——通過該項技術可以將傳輸液化的水滴，達到收集的目的，從而提高集水的效率，或將解決水資源緊缺地區缺水的難題，滿足人們生產生活所需的用水問題。
——再如，像手機、電腦等處理器的散熱處理往往涉及內部液滴的相轉變，尤其是高端芯片，散熱是個很大的問題。在芯片內部封裝的液體蒸發實現降溫，在另一端冷凝實現液體的循環利用，而在冷端到熱端涉及液滴的傳輸，藉助此項技術可以提升其液滴傳輸的效率，有利於提高芯片散熱效率。
其他更多應用，期待各位同仁一起努力，進一步揭開神秘面紗！
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0440-2
課題組主頁：http://www.ccsi.uestc.edu.cn/
閱讀更多 電子科技大學 的文章
