2024年6月21日，yl23455永利官网能源与动力工程学院李加乾研究员参与由香港理工大学王立秋教授团队主导的研究，在顶级期刊Science在线发表题为“Selective directional liquid transport on shoot surfaces of Crassula muscosa”的研究论文。香港理工大学王立秋讲席教授、香港大学尹晓波教授和yl23455永利官网李加乾研究员为论文的通讯作者。yl23455永利官网为共同通讯作者单位。

液体在固体表面的定向输运在生物医学、航空航天、农业生产、工业制造等领域都有着极其重要的作用。自然界生物的定向输运现象为智能液体操控提供了完美的仿生蓝本。例如，仙人掌将收集的雾气从刺尖输送到根部；蜘蛛丝将捕获的雾气从周期性纺锤结输送到关节；蜥蜴通过相互连接的毛细通道将水输送到口腔内；猪笼草利用多尺度结构从口喙内边缘向外边缘定向输送雨水和花蜜；南洋杉叶利用毛细锯齿效应沿固定方向输送特定液体。然而，科学家们发现，已有生物体系的液体输运都具有相同的模式，即一种液体只能沿着固定的方向定向传输。

若绿（Crassula muscosa）原产于干旱但多雾的南非和纳米比亚地区，它的茎叶很容易被雾气润湿，从而捕获雾滴，为其生长提供充足的水分。在给若绿浇水时，发现液体在水平放置的不同若绿茎上，竟然可以选择朝着茎尖或根部这两个截然相反的方向自发地单向流动，这与传统认知中一种液体只能沿固定方向流动的观点大相径庭。

图1 多肉植物若绿

研究首次报道了若绿植物的神奇液体操控能力，即液体可以在其茎上沿正反两个方向中任一方向实现定向流动。证明了这一神奇现象得益于若绿叶片独特的不对称折返结构，叶片两端具有不同的折返角，包括朝向茎尖的上折返角和朝向根部的下折返角，从而导致液体弯液面在两个相反方向存在差异，使得液体能够选择性的沿不同方向运动。该研究不仅揭示了大自然中鲜为人知的独特液体输运现象和内在机制，也为工程应用中设计更加灵活高效的智能液体操控器件提供了新的启发和方法。

图2 若绿茎表面的选择性定向液体输运

研究团队利用三维打印技术制造了一种模仿若绿叶片结构的器件。在具有不同折返角的仿若绿器件上，液体分别沿着正负两个相反的方向流动，与若绿植物上的液体输运现象一致。通过提出一种基于各向异性弯液面的理论模型，揭示了通过调节折返角和间距可以精准控制液体流动方向的内在机理。受此启发，研究团队设计了通过磁场和机械拉伸精准调控液体流动方向的磁控和柔性仿若绿智能器件，展示了仿若绿智能器件灵活可控液体输运的能力，在生物医学、微反应器、微流控、可穿戴电子设备等领域都具有广阔的应用前景。

自然界总是令人叹为观止，一种微小的多肉植物，竟然蕴含着如此神奇的液体操控能力！

论文链接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk4180