液體在固體表面的定向傳輸對許多應用都至關重要，例如生物醫學檢測、水收集、海水淡化、傳熱傳質等。自然界中的定向傳輸現象為液體在表界面傳輸提供了豐富的解決方案。例如，仙人掌將收集的霧汽從刺尖輸送到根部；蜘蛛絲將捕獲的霧汽從周期性紡錘結輸送到關節；蜥蜴通過相互連接的毛細通道將水輸送到鼻子；翼狀豬籠草利用多尺度結構從唇內邊緣向外邊緣定向輸送花蜜；南洋杉葉利用毛細鋸齒效應沿固定方向輸送特定液體。
然而，科學家們在這些生物體系中發現，液體傳輸都具有相同的模式，即一種液體只能沿著固定的方向定向傳輸。這不禁令我們好奇，自然界是否還存在其他的液體輸運模式？探索新穎的液體傳輸機制，將為定向液體傳輸的設計提供新的啟發和靈感。
近日，香港大學、香港理工大學和山東大學聯合研究團隊在多肉植物若綠（Crassula muscosa）身上取得了重要發現——液體可以在其莖上沿正反兩個方向中任一方向實現定向流動。該研究成果以“Selective directional liquid transport on shoot surfaces of Crassula muscosa"為題，發表在頂級科學期刊《Science》上。香港大學博士生楊玲、博士后李威為論文的共同第一作者，香港理工大學王立秋講席教授、香港大學尹曉波教授和山東大學李加乾研究員為論文的通訊作者。
若綠（Crassula muscosa）原產于干旱但多霧的南非和納米比亞地區，它的莖葉很容易被霧汽潤濕并捕獲霧滴，進而為其生長提供充足的水分。若綠外形美觀，清新奇特。抵不住對若綠的喜愛之情，研究人員也親自養了一盆。在給若綠澆水時，他們發現液體在水平放置的不同若綠莖上，竟然可以選擇朝著莖尖或根部這兩個截然相反的方向自發地單向運動，這與傳統認知中一種液體只能沿固定方向流動的觀點大相徑庭。
研究團隊報道了這一自然界的選擇性定向液體傳輸現象。通過進一步觀察，他們發現這一神奇的現象得益于若綠葉片的不對稱折返結構——葉片兩端具有不同的折返角，包括朝向莖尖的上折返角（ω1）和朝向根部的下折返角（ω2），從而導致液體彎液面在兩個相反方向存在差異，使得液體能夠選擇性地沿不同方向運動。這一研究成果不僅揭示了大自然中鮮為人知的液體傳輸機制，也為工程應用中設計更加靈活高效的液體輸運系統提供了新的啟發和可能。
為了進一步探索這一選擇性定向液體傳輸現象，研究團隊利用3D打印技術制造了一種模仿若綠葉片結構的陣列（Crassula muscosa-inspired arrays , CMIAs）。在具有不同折返角的CMIA I 和CMIA II上，他們觀測到滴加的液體分別沿著正負兩個相反的方向流動。通過高速相機觀察液體流動規律，研究人員提出了一種各向異性彎液面理論模型來解釋這一現象。結合實驗觀測結果，他們利用這一理論揭示了通過調節CMIAs的兩個折返角和間距可以精準控制液體的流動方向。受此規律的啟發，研究團隊進而制作了可通過磁場和機械拉伸精準調控液體流動方向的磁控及柔性CMIAs。這些創新性的CMIAs結構不僅驗證了理論模型，也展示了利用結構化表面實現靈活可控液體輸運的新途徑。
總的來說，研究團隊成功揭示了若綠植物葉片表面的選擇性定向液體傳輸現象。其關鍵在于葉片兩端存在不對稱的折返角度，從而產生異質的液體彎月面輪廓，最終導致液體能夠自發選擇性地沿正負兩個相反方向進行定向傳輸。這一令人矚目的發現，激發了研究人員設計可實時切換液體傳輸方向的新結構。這些創新成果不僅展示了可重構的液體傳輸、智能的傳輸方向調節， 還實現了自發和長距離的定向液體傳輸。這些突破性技術在生物醫學檢測、化學反應分析等領域都具有廣闊的應用前景。
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