港(gang)大、港(gang)理(li)工(gong)和山東大學《Science》：仿(fang)若(ruo)綠的(de)選擇(ze)性定(ding)向液(ye)體(ti)傳輸(shu)

液(ye)體(ti)在固體(ti)表(biao)面的定(ding)向傳輸(shu)對許(xu)多(duo)應(ying)用都(dou)至(zhi)關(guan)重(zhong)要，例如(ru)生(sheng)物醫(yi)學檢測、水收集(ji)、海(hai)水(shui)淡化、傳熱(re)傳質(zhi)等。自(zi)然界中的(de)定(ding)向傳輸(shu)現(xian)象為(wei)液(ye)體(ti)在表(biao)界面傳輸(shu)提供了豐富(fu)的(de)解決方(fang)案(an)。例(li)如(ru)，仙人(ren)掌將收集(ji)的霧汽(qi)從刺(ci)尖輸(shu)送到(dao)根部(bu)；蜘蛛絲(si)將捕(bu)獲的霧汽(qi)從周(zhou)期(qi)性(xing)紡錘(chui)結(jie)輸(shu)送到(dao)關(guan)節(jie)；蜥(xi)蜴通過相(xiang)互(hu)連(lian)接的(de)毛(mao)細通道(dao)將水(shui)輸(shu)送到(dao)鼻子；翼狀豬籠草(cao)利(li)用多(duo)尺(chi)度結(jie)構(gou)從唇內邊緣(yuan)向外邊緣(yuan)定向輸(shu)送花蜜(mi)；南(nan)洋杉葉(ye)利(li)用(yong)毛(mao)細鋸齒(chi)效應(ying)沿固定方(fang)向輸(shu)送特(te)定(ding)液(ye)體(ti)。

然而，科學家(jia)們在這些(xie)生(sheng)物體(ti)系中(zhong)發(fa)現(xian)，液(ye)體(ti)傳輸(shu)都(dou)具有相(xiang)同(tong)的(de)模(mo)式(shi)，即壹種(zhong)液(ye)體(ti)只能(neng)沿著固定的(de)方(fang)向定向傳輸(shu)。這不(bu)禁(jin)令我(wo)們好(hao)奇，自(zi)然(ran)界是(shi)否(fou)還存在(zai)其他的液(ye)體(ti)輸(shu)運模式(shi)？探索新穎(ying)的(de)液(ye)體(ti)傳輸(shu)機(ji)制，將為(wei)定向液(ye)體(ti)傳輸(shu)的設計提供新的(de)啟發(fa)和靈(ling)感(gan)。

近日(ri)，香(xiang)港(gang)大學、香(xiang)港(gang)理(li)工(gong)大學和山東大學聯(lian)合研(yan)究團(tuan)隊在多(duo)肉植(zhi)物若(ruo)綠（Crassula muscosa）身(shen)上(shang)取(qu)得(de)了重(zhong)要發(fa)現(xian)——液(ye)體(ti)可以(yi)在(zai)其莖上(shang)沿(yan)正(zheng)反兩(liang)個(ge)方(fang)向中任(ren)壹方(fang)向實現(xian)定向流動(dong)。該(gai)研究成果以(yi)“Selective directional liquid transport on shoot surfaces of Crassula muscosa"為(wei)題，發(fa)表(biao)在(zai)頂(ding)級科學期(qi)刊(kan)《Science》上(shang)。香(xiang)港(gang)大學博(bo)士(shi)生(sheng)楊玲、博士後(hou)李(li)威為(wei)論文(wen)的共(gong)同(tong)第壹作(zuo)者(zhe)，香(xiang)港(gang)理(li)工(gong)大學王(wang)立(li)秋講席教授、香(xiang)港(gang)大學尹(yin)曉(xiao)波教授和山東大學李(li)加(jia)乾研(yan)究員(yuan)為(wei)論文(wen)的通訊作者。

若(ruo)綠（Crassula muscosa）原產(chan)於幹(gan)旱(han)但多(duo)霧的(de)南(nan)非和納(na)米比(bi)亞(ya)地區(qu)，它的莖(jing)葉(ye)很容易(yi)被霧汽(qi)潤濕(shi)並捕(bu)獲霧滴(di)，進而(er)為(wei)其生(sheng)長(chang)提供充足(zu)的(de)水分。若(ruo)綠外形(xing)美(mei)觀，清(qing)新(xin)奇特(te)。抵(di)不(bu)住(zhu)對若(ruo)綠的(de)喜(xi)愛(ai)之(zhi)情(qing)，研究人員(yuan)也親(qin)自(zi)養(yang)了(le)壹盆。在(zai)給若(ruo)綠澆(jiao)水時(shi)，他們發(fa)現(xian)液(ye)體(ti)在水平(ping)放(fang)置的不同(tong)若(ruo)綠莖(jing)上(shang)，竟然可以(yi)選擇(ze)朝著莖(jing)尖或根部(bu)這兩(liang)個(ge)截然(ran)相(xiang)反的(de)方(fang)向自發(fa)地(di)單(dan)向運動(dong)，這與(yu)傳統認知(zhi)中壹種(zhong)液(ye)體(ti)只能(neng)沿固定方(fang)向流動(dong)的(de)觀點大相(xiang)徑(jing)庭。

研究團(tuan)隊報道(dao)了這壹自(zi)然(ran)界的選擇(ze)性定(ding)向液(ye)體(ti)傳輸(shu)現(xian)象。通過進壹步(bu)觀察，他(ta)們發(fa)現(xian)這壹神奇(qi)的(de)現(xian)象得(de)益(yi)於若(ruo)綠葉(ye)片(pian)的不對稱(cheng)折(zhe)返(fan)結(jie)構(gou)——葉(ye)片(pian)兩端具有不(bu)同(tong)的(de)折(zhe)返(fan)角(jiao)，包(bao)括(kuo)朝(chao)向莖尖的(de)上(shang)折(zhe)返(fan)角(jiao)（ω1）和朝(chao)向根部(bu)的下(xia)折(zhe)返(fan)角(jiao)（ω2），從而(er)導(dao)致(zhi)液(ye)體(ti)彎(wan)液(ye)面在兩(liang)個相(xiang)反方(fang)向存在(zai)差異，使得(de)液(ye)體(ti)能(neng)夠選擇(ze)性地(di)沿(yan)不(bu)同(tong)方(fang)向運動(dong)。這壹研(yan)究成果不僅揭(jie)示了大自(zi)然中鮮(xian)為(wei)人知(zhi)的液(ye)體(ti)傳輸(shu)機(ji)制，也為(wei)工程(cheng)應(ying)用中(zhong)設計更加(jia)靈(ling)活高效(xiao)的(de)液(ye)體(ti)輸(shu)運系統提供了新(xin)的啟(qi)發(fa)和可能(neng)。

為(wei)了進壹步(bu)探(tan)索這壹選擇(ze)性定(ding)向液(ye)體(ti)傳輸(shu)現(xian)象，研究團(tuan)隊利用(yong)3D打(da)印(yin)技術制造(zao)了壹種(zhong)模仿(fang)若(ruo)綠葉(ye)片(pian)結(jie)構(gou)的陣(zhen)列(lie)（Crassula muscosa-inspired arrays , CMIAs）。在(zai)具有不(bu)同(tong)折(zhe)返(fan)角(jiao)的(de)CMIA I 和CMIA II上(shang)，他(ta)們觀測到(dao)滴加(jia)的(de)液(ye)體(ti)分別沿(yan)著正(zheng)負(fu)兩個相(xiang)反的(de)方(fang)向流動(dong)。通過高(gao)速相(xiang)機(ji)觀察液(ye)體(ti)流動(dong)規(gui)律(lv)，研究人員(yuan)提出(chu)了壹種(zhong)各(ge)向異性(xing)彎(wan)液(ye)面理論(lun)模型(xing)來解(jie)釋(shi)這壹現(xian)象。結(jie)合實驗(yan)觀測結(jie)果，他們利用這壹理(li)論(lun)揭示了通過調(tiao)節(jie)CMIAs的兩(liang)個折(zhe)返(fan)角(jiao)和間(jian)距(ju)可以(yi)精(jing)準(zhun)控制液(ye)體(ti)的流動(dong)方(fang)向。受此(ci)規律(lv)的啟(qi)發(fa)，研(yan)究團(tuan)隊進而(er)制作了可通過磁場和機(ji)械(xie)拉(la)伸(shen)精(jing)準(zhun)調控(kong)液(ye)體(ti)流動(dong)方(fang)向的磁控及(ji)柔性CMIAs。這些(xie)創(chuang)新性(xing)的CMIAs結(jie)構(gou)不僅驗(yan)證(zheng)了理(li)論模型，也展(zhan)示了利(li)用結(jie)構(gou)化表(biao)面實現(xian)靈活可控液(ye)體(ti)輸(shu)運的新(xin)途(tu)徑。

總的來說(shuo)，研究團(tuan)隊成功(gong)揭(jie)示了若(ruo)綠植(zhi)物葉(ye)片(pian)表(biao)面的選擇(ze)性定(ding)向液(ye)體(ti)傳輸(shu)現(xian)象。其關(guan)鍵(jian)在於葉(ye)片(pian)兩端存(cun)在(zai)不對稱(cheng)的(de)折返(fan)角(jiao)度，從而(er)產(chan)生(sheng)異(yi)質的液(ye)體(ti)彎(wan)月(yue)面輪廓，最(zui)終(zhong)導致(zhi)液(ye)體(ti)能(neng)夠自發(fa)選擇(ze)性地(di)沿(yan)正(zheng)負(fu)兩個相(xiang)反方(fang)向進行定(ding)向傳輸(shu)。這壹令人(ren)矚(zhu)目的(de)發(fa)現(xian)，激(ji)發(fa)了(le)研(yan)究人員(yuan)設計可實時(shi)切(qie)換(huan)液(ye)體(ti)傳輸(shu)方(fang)向的新(xin)結(jie)構(gou)。這些(xie)創(chuang)新成(cheng)果不僅展(zhan)示了可重(zhong)構(gou)的液(ye)體(ti)傳輸(shu)、智能(neng)的傳輸(shu)方(fang)向調節(jie)， 還實現(xian)了自發(fa)和長(chang)距(ju)離(li)的(de)定(ding)向液(ye)體(ti)傳輸(shu)。這些(xie)突(tu)破性技術在生(sheng)物醫(yi)學檢測、化學反應(ying)分析等領(ling)域都(dou)具有廣闊(kuo)的(de)應(ying)用前(qian)景。

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