物理学是这么的

电路中之次极管想必大家连无陌生,大名鼎鼎的LED就是里面的平等种。在二极管中,电流只能向单方向流动,反向则会于堵嘴。但一旦本身报告你,流体也发生次极度管,即液体以相同彻底管里只能沿着一个倾向定向流动、润湿,反向则会让堵嘴,你或就是使疑惑了,这是怎形成的为?近日,香港城市大学博士研究生李加乾以及中国科学院上海微系统所周晓峰博士当香港城市大学王钻开教授及美国Lehigh大学的Manoj
K.
Chaudhury教授的指下,联合为大家来得了平栽通过调整表面微观形貌,控制液体流向的“拓扑流体二极管”(Topological
liquid diode),并当《科学》杂志的子刊《科学开展》(Science Advances
)上载了他们的研究成果\[1\]

阿基米德开凿了一个洞穴,可以住人。

“拓扑”一乐章由英文Topology音译而来,有研究特定地方地形、地貌的意思\[2\]。王钻开以及共事们用拓扑一词,意在发表通过对材料表面“地形地势”(即材料表面微观形貌)的主宰,来贯彻流体的定向移动。

伽利略看山洞太简陋了,他打了一个坑,想坐房屋。

公恐怕会见问,液体定向移动有啊用?我可以告知您,如果无液体定向移动,地球上许多动植物就都要杜绝。比如沙漠甲虫,利用背后亲水的区域集和,再用亲水和疏水区域形成的流体通道将征集之水自发定向地运至嘴里\[3\]。再以仙人掌,在沙漠中经过刺来搜集水汽,收集之水沿着刺的外端自发定向地传递到仙人掌的身上\[4\]。当然,这种例子并无只是于大漠中才出。像猪笼草的“嘴唇”\[5\]及蜥蜴的肌肤\[6\]否负有类似作用。

牛顿包工头,带在开普勒,胡克,笛卡尔等同样居多小弟打下了地基。

图片 1沙漠甲壳虫和神灵掌。图片来源于:参考文献[3]

末端几百年,包括法拉第在内的均等广大物理学家盖了平栋看起可以而圆的房子。

自然界中这些天然、定向运输液体的例子很多都是恃那精雕细镂的微观形貌实现的。本文的中流砥柱“拓扑流体二极管”也不殊。接下来我就是带大家来揭秘拓扑流体二极管这项黑科技神秘的面罩。

然后开尔文说房因了了,大家都去停吧,已经完美了,物理学家没事干了,就是天怎么不明朗啊,头上还有少数片乌云?

以拓扑流体二不过管的制造着,研究团体因此相同种特殊的凹槽构建了一个苛的外表结构(旁白:
何人能告我这么复杂的结构是怎想到的?!)。这个标的一体化布局是一个U型岛状阵列(U-shaped
island
arrays)。构成阵列的每个U型岛内都产生一个U型槽,槽的上设计了一个凹角结构(re-entrant
structures)。这凹角结构可以是以为难,而是为改变表面的润湿性。

结果乌云的制造者麦克斯韦对下零星鸣闪电,房子塌了。麦克斯韦说,盖尼玛的房,眼光能长久点也?「其实乌云不是麦克斯韦制造的,但是麦克斯韦方程组预言了光速不变换,作为物理学的老四,必须被他个无赖的行事,也就是是拆房」

图片 2围观电子显微镜下流体二极管表面的微观形貌。总体布局是一个U型岛状阵列,用一个个加上方形“栅栏”
围在这些U型岛状结构(图A)。构成阵列的U型岛状结构开口处较富裕,向内涨幅依次递减,在每个U型岛内都出一个U型槽(图B)。U型槽的上方还设计了一个凹角结构(图C)。这凹角结构可以是以为难,而是为改变表面的润湿性。图片来源于:参考文献[1]

于是乎包工头爱因斯坦出现了,他先期带洛伦兹齐名兄弟,盖了扳平重合楼「狭义相对论」,后来异小弟都无须了,自己向上一个人口因了一整栋楼!这所楼因好了无装修,后面的科学家,什么史瓦西啊,霍金啊,都是在爱因斯坦这所楼上搞装修之,霍金大概装了同等面墙壁。

依据密西根大学Anish
Tuteja教授头的研究\[7\],这种凹角结构可以无依赖任何化学修饰,让一个亲水表面成疏水表面。那么,以这种凹角结构吧底蕴之马上等同多元设计,会达到什么力量啊?当水滴滴在拖欠表上时,这滴水并无会见像生活中广大的那样为各地无序地伸展,而是会顺单一方向铺展开来。尽管当反的趋向及也会产生于小程度的湿,但这种润湿很快即受流体二绝管截断了。

同爱因斯坦与一代,普朗克,波尔,海森堡等于人口,哦,还有爱因斯坦,他们因为了另一栋楼,也即是量子力学,这些口群策群力盖的,没有包工头,这栋楼现在羁押起像还牛逼,而杨振宁,在即时所楼里打了一个电梯井,用规范模型贯通了马上座楼。

穿梭是水,作者还品尝了酒精、甘醇等任何外部张力、密度、润湿性各不相同的液体,发现这些液体以流体二极端管齐呢时有发生接近场景。这证明,流体二极度管具有广阔适用性。

故而杨振宁同霍金就好判断谁胜孰不如了,一个装修了壁,一个自了电梯井,至于跟盖楼的爱因斯坦与打地基的牛顿,就变更提了咔嚓。

图片 3水滴在流体二极管结构及的独自为润湿现象。图片源于:参考文献[1]

新生人们发现少座楼并不起来,威滕这些口就是用弦在那边搭桥,目前总的来说光是如出一辙志彩虹桥,不克去,未来便非自然了,也许彩虹桥就是真理呢

图片 4水滴在流体二最为管结构及的就为润湿现象。动图来源:参考文献[1]

不过转小看流体二尽管的筹划,它解决了一个物理学中十几近年来尚且怪不便讲的面貌。早于2005年,Manoj
K. Chaudhury和Ankur
Chaudhury教授发现,在一个来水滴线性排列的疏水表面上,油在始发状态时扩展的百般缓慢。但当油逐渐积淀、连在一起并覆盖水滴的时刻,油就扩大的快速\[8\]。这便好比在一个光一总人口会由此之胡同(疏水表面)里,横在几座矮墙(水滴),想使过巷必须要翻墙。最先爬墙的总人口(油)比较吃力,但是当爬过去的人头大都矣,有一些人数尽管见面留给在墙根底下帮助其他人,这样后来之人爬墙就比容易了。

尽管后来时有发生一些切磋计算解释是现象,但对于油如何突破、克服初始阶段缓慢扩展的遮挡,并无人会叫有答案,因此这吗成了一个悬而未决的痴。直到日前。

图片 5油在水滴线性阵列中的迟缓跑同抢飞现象。图片源于:参考文献[8]

在研流体二极管中液体的定向流动时,作者发现,一个先驱的液体膜起在主导的图——后续的液体还愿本着“前人”的足迹前进,先锋军带来大部队前进。那么这前驱液体膜又是怎来之吧?这只要综合为一致种植叫角流动的情景(corner
flow)\[9\]。用宇航员喝咖啡——准确来说是吸咖啡——举个例子。在太空中失重的尺度下,液体的流是随便无序的。但鉴于竞技流动效应的在,液体更加倾向被沿着杯壁走。

图片 6宇航员在失重条件下吧咖啡,由于竞技流动效应,水沿着杯壁流动设不无序飘散。图片源于:NASA

当拓扑流体二极管中,会出一部分液体优先沿着栅栏的侧壁流动,这片液体抄小路铺展,因此蒸发的比较快,成为“先锋部队”。

图片 7拓扑流体二不过管的湿过程。首先,先锋部队跨越简单限小路进发,然后,大部队赶到,与先锋部队汇合。紧接着,先锋部队又优先润湿下一个U型岛状结构。动图来源:参考文献[1]

这些“先锋军”会预先“抄小路”从少边进入及流体二极其管的U型槽中,形成前驱液体膜,但并无会见过凹角结构的高度。随后而来的“大部队”会受凹角结构所打断,堆积在U型槽里。当让死的“大部队”液体积累到零星时,会突破凹角结构的约,并跟眼前驱液汇合,然后,就会发出“水跃现象”(hydraulic
jump),“跳了”U型岛障碍,向前流动。所以由总体来拘禁,液体以拓扑流体二极管里之流过程并无是连的,而是如跨栏一样“一跨越一跨越”地向上。

图片 8飞摄像机下之水跃现象。拓扑流体二极度管的正向润湿依次通过阻隔、合并及水跃过程。动图来源:参考文献[1]

图片 9流体二最为管的侧剖视图。前驱液膜在流体二极管中针对持续液体的正向引导机理。前驱液体(浅蓝色)会先进入到U型槽里,在前任液膜的引下,水的流依次通过阻隔(pinning),合并(coalescence)和水跃的长河,使水可以迅速地前进流动。图片来源于:参考文献[1]

流体二无比管的正向始终高居“导通”状态,那么它们反向的“阻断”状态又是怎来的啊?原因还要起表结构及查找。当液体尝试在流体二极管中倒往流动的时节,被凹角结构拦住的液体“大部队”会由上边润湿凹角结构,凹角结构挡住了红尘的“前驱液膜”,形成凹角阻隔(re-entrant
pinning),这样,后续之液体“大部队”没法跟前驱液膜合并,也即非克顺畅前进了。

图片 10流体二极管中微观结构对后续液体的反向阻断机理。凹角结构挡住了液体“大部队”与前人液膜的联,阻止了液体的流动。图片源于:参考文献[1]

尽管压力很及早晚水平的下,液体还会突破凹角结构,但鉴于流体二极管正奔“导通”状态大好,使得液体都乐于为正为跑,因此反向的下压力非常麻烦多及突破凹角结构的档次,就这样,反向的“生意”就还吃正好往抢跑了,这即导致了液体以流体二最好管上之只为流动。

研究人员还以流体二顶管摆成环和螺旋形于大家展示宏观及,液体自发的、长距离的定向流动现象。更逆天的一点哪怕是,这个传输甚至好克服重力!

图片 11图片 12液体以周和螺旋形流体二极度管上之定向流动。动图来源:参考文献[1]

那流体二极管在事实上中会来安的下为?

率先,谈到第二极其管,第一独想到的应当就是是逻辑电路了吧。流体二极管可以构建一个个流体的逻辑门,乃至逻辑门阵列——一个流体的“逻辑电路”。这样的“流体逻辑电路”应用在微流体控制领域,会大大加速制药、电子冷却等行业的进化。其次,流体控制或也可是用以散热。设想一下,如果能够让冷却液自发地返回到蒸发端,那可省去多少资金和能量?再次,这种液体自发运输或还只是用于航空航天领域。在微重力的极下,控制流体运动的势头往往得重多的能量输入,连喝杯咖啡还要“吸”着喝。拓扑流体二极管可以为宇航员在高空中喝及不要“吸”的咖啡!最后,我们来大胆设想一下,由于流体二极管对多液体/流体的广泛适用性,不妨假设引进其他花样的流体,如磁流体–流体二极管/逻辑门,控制磁流体定向移动,说不定未来同时见面打来什么的伪科技!让咱们一块梦想这项前沿技术的开拓进取吧!(编辑:明天)

参考文献

  1. Jiaqian Li, Xiaofeng Zhou, Jing Li, Lufeng Che, Jun Yao, Glen
    McHale, Manoj K. Chaudhury, Zuankai Wang, Topological liquid diode,
    Science Advances 2017, DOI: 10.1126/sciadv.aao3530.
  2. Topology, Merriam-Webster Dictionary, origin: International
    Scientific Vocabulary
  3. Andrew R. Parker, Chris R. Lawrence, Nature 2001, 414, 33.
  4. Jie Ju, Hao Bai, Yongmei Zheng, Tianyi Zhao, Ruochen Fang, Lei
    Jiang, Nature Communications 2012, 3, Article number: 1247.
  5. Huawei Chen, Pengfei Zhang, Liwen Zhang, Hongliang Liu, Ying Jiang,
    Deyuan Zhang, Zhiwu Han, Lei Jiang, Continuous directional water
    transport on the peristome surface of Nepenthes alata, Nature 2016,
    532, 85.
  6. Philipp Comanns, Gerda Buchberger, Andreas Buchsbaum, Richard
    Baumgartner, Alexander Kogler, Siegfried Bauer, Werner Baumgartner,
    Directional, passive liquid transport: the Texas horned lizard as a
    model for a biomimetic ‘liquid diode’, Journal of The Royal Society
    Interface 2015, 12, 20150415.
  7. Anish Tuteja, Wonjae Choi, Minglin Ma, Joseph M. Mabry, Sarah A.
    Mazzella, Gregory C. Rutledge, Gareth H. McKinley, Robert E. Cohen,
    Designing Superoleophobic Surfaces, Science 2007, 318, 1618.
  8. Manoj K. Chaudhury, Ankur Chaudhury, Super spreading of oil by
    condensed water drops, Soft Matter 2005, 1, 431.
  9. Mark M. Weislogel, Seth Lichter, Capillary flow in an interior
    corner, Journal of Fluid Mechanics 1998, 373, 349.

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