明朝時期，我國發(fā)明了一種瓷制酒杯。此杯內(nèi)部有一條水位線，當(dāng)杯內(nèi)液體低于水位線時，這是一個正常的容器；高于水位線時，杯內(nèi)的液體會通過虹吸效應(yīng)從杯底漏光（圖1）。洪武皇帝把這個杯子命名為公道杯，寓意知足水存、貪心水盡。在古希臘，畢達(dá)哥拉斯發(fā)明了與之類似的杯子，用于約束嗜酒者適度飲酒。
圖1公道杯虹吸效應(yīng)
如今，虹吸效應(yīng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的生活，如我們?nèi)粘Ｊ褂玫囊馐娇Х葔、洗手池、馬桶等。尤其是在利用虹吸效應(yīng)給魚缸換水時，我們通常需要先在管內(nèi)加滿水，再將其插入缸中；或者對著水管猛嘬一口來實現(xiàn)水的填充。我們似乎已經(jīng)對這些操作習(xí)以為常，但如果能實現(xiàn)自虹吸效應(yīng)，那么就能輕松解決很多管道流體輸送的難題。
近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所仿生材料與界面科學(xué)重點實驗室董智超團隊在液體自虹吸領(lǐng)域取得了新進展。這一年輕的研究團隊始終著眼于用仿生方式解決生產(chǎn)生活和工程技術(shù)中的難題，相繼發(fā)明和改進了多種日用品，如制作了超疏水的鞋子，用于防止雨天走路時的泥水迸濺(Adv. Mater. 2015, 27, 1745)；發(fā)明了超疏水移液槍頭，用于解決轉(zhuǎn)移微量液體時因液體殘留造成的轉(zhuǎn)移量不精準(zhǔn)的問題(ACS Nano 2013, 10, 10371)。
最近，董智超團隊受到水滴在豬籠草口緣表面連續(xù)自發(fā)定向輸運現(xiàn)象的啟發(fā)，以3D打印技術(shù)仿生制備了豬籠草口緣結(jié)構(gòu)，成功地利用基底表面能的釋放實現(xiàn)了水的逆重力定向爬升(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 14988；Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 13623)。研究過程中，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)仿生豬籠草結(jié)構(gòu)表面陣列化的傾斜微坑能夠牢牢束縛一層水膜。這層水膜的存在降低了液體輸運過程中的粘滯阻力，使后續(xù)液體的輸運速度可以提升兩個數(shù)量級。根據(jù)這一特性，該團隊成功地仿生制備了一種內(nèi)壁具有豬籠草結(jié)構(gòu)的管道。管內(nèi)壁的豬籠草結(jié)構(gòu)能夠有效束縛自發(fā)爬升的水膜，并將這層水膜作為潤滑層以降低液體在毛細(xì)上升時的粘滯阻力，同時將毛細(xì)管內(nèi)壁的浸潤性由親水轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水，大幅提升水在管道內(nèi)的毛細(xì)上升高度與速度，為實現(xiàn)液體的自虹吸效應(yīng)打下堅實基礎(chǔ)。
自虹吸豬籠草管道不像公道杯一樣需要將杯具或管道預(yù)先充滿水來觸發(fā)虹吸效應(yīng)。只需將其彎曲成拐杖形并放置在杯子側(cè)壁上，少量的水就能在增強的毛細(xì)上升作用下自發(fā)充滿整個管道，然后從另一端流出。這種依靠內(nèi)壁結(jié)構(gòu)增強毛細(xì)作用實現(xiàn)的管道自虹吸效應(yīng)無需外部能量輸入便能進行高通量、跨重力勢壘的液體連續(xù)輸運。該研究將激勵新一代無泵微流體裝置的發(fā)展。
相關(guān)研究成果發(fā)表在美國科學(xué)院院刊（PNAS）上，論文標(biāo)題為Bioinspired inner-microstructured tube-controlled capillary rise。論文第一作者為中科院理化所李儲鑫博士，通訊作者為中科院理化所董智超助理研究員。相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(21703270)的大力支持。
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