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香港大學（港大）機械工程系的研究人員在液滴操縱方面取得關鍵突破，他們發現，液滴在無外力或能量供給的情況下，可在晶體的光滑均質表面上，自動滑行一段長距離。今次是科學界首次發現液滴在壓電晶體的表面上，可自動並定向地運動，對液滴操縱傳輸的意義重大。

由港大機械工程系香港研究資助局博士後研究員唐欣，博士後研究員李威及熱流科學與工程講座教授王立秋組成的研究團隊，在室溫下，若把一個冷、熱或揮發性液滴，滴落在壓電單晶鈮酸鋰的平滑表面上，液滴即自發地沿直線移動一段長至50倍於液滴半徑的距離。而因著晶體的不同切割面所形成的平面，液滴可以分作單向、雙分叉、甚至三分叉方向行走。

這項發現已在學術期刊Nature Nanotechnology中一篇題爲“Furcated Droplet Motility on Crystalline Surfaces” 的論文發表。

王立秋教授說：「液滴只要與接觸的晶體平面有大約5攝氏度的溫和溫差，就能自行驅動。想像一下在光滑水平的桌面放置一個小球，這個小球不是保持靜止狀態，而是自己滾動，並沿著某幾個特定方向行走。這是一個出乎意料的現象，在科研和應用上有豐厚潛力。液滴在固體平面上的定向、持續自運動對於熱管理、海水淡化、材料自動遞送等諸多領域都有重要意義。」

傳統的液滴傳輸方法，是通過在固體表面上製造化學潤濕梯度或各向異性物理結構來精確輸運液體。這種方法就好像在固體表面製作一個傳送帶用以輸運小球。今次是首次發現鈮酸鋰平面在液滴溫差下會產生電能，推動液滴流動。

壓電單晶一般在受壓的情況下會產生電能。研究人員發現，鈮酸鋰這種晶面上液滴的定向運動是由跨尺度的熱壓電耦合所驅動。這現象源於晶體內部各向異性的原子排布結構。

簡單說來，壓電單晶光滑均質表面的原子以一種特殊方式排列，帶著溫差的液滴，令晶體膨脹或收縮受壓，激發出電場，以此驅動液滴朝固定方向運動，而運動的方向，則取決於壓電單晶材料的切割角度。

「我們的研究，為實現液滴在光滑均質表面上作自動、可控和定向輸運，提供了新穎和有效的解決方案，有助解決一些長期在熱管理等方面的難題，例如器件抗結冰，除霜以及潮濕環境下的防霧系統等，提供全新的應對思路。」唐欣博士說。

當液滴接觸過冷的表面時，例如低溫機翼及電纜，液滴會即時凍結在表面上。液體自驅能及時移除凝結液滴以顯著提升凝結換熱效能。可以想像，當液滴接觸壓晶體表面，即時激發產生的電場會擾動凝結的液滴令結冰過程減慢，以此降低界面粘附力並延緩冰霜積聚，達至抗結冰和除霜的效果。

在太空微重力環境下，積聚凝結的液滴無法通過重力牽引或移除，液體自驅其不需外力引動的特性，對於太空應用尤其有吸引力。

此外，叉狀的液滴運動路線可通過施加特定微擾動，例如微電場等，以人工選擇移動的方向。這樣晶體表面可作為平面雙向或三向閥，構建出複雜的液滴通路，用以輸運包含著訊息、化學或生物物質的液滴載體。

「顯然這項液體控制技術能適用於多種液體，而除了鈮酸鋰，其他的壓電晶體類型也有待開發，因而能夠為未來相關新材料及技術的發展帶來許多機遇。」李威博士說。

請按此觀看不同液滴在壓電單晶鈮酸鋰的平滑表面上自發移動， 以及因著晶體的不同切割面所形成的平面，液滴可以分作單向、雙分叉、甚至三分叉方向行走的短片。

刊登於Nature Nanotechnology的“Furcated Droplet Motility on Crystalline Surfaces”論文連結：https://www.nature.com/articles/s41565-021-00945-w。

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