日照香炉生紫烟，遥看瀑布挂前川。
飞流直下三千尺，疑是银河落九天。
我们都知道，水往低处流！
对于李白的这首诗，牛顿肯定没有意见！
因为，“水往低处流”是自然界的普遍现象，这是由于受到重力的作用，使水的重力势能转化为动能而向下运动。
但是，有一位90后，却发现了违背“常识”的现象：
水可以往高处流。
不信？请看实验动图：
小液滴自己爬坡了！
大千世界，真是无奇不有！
这并不是偶然的，而是有着深刻的科学原因。
图：由可印刷的表面电荷密度梯度介导的液滴输运
实际上，在极度超亲水的表面上，在毛细作用下液滴可以自下而上定向自发传输，产生类似于电子二极管的流体二极管行为。
但是，许多工程应用都要涉及到类似荷叶的超疏水的表面，在这样的表面上液滴呈现球状，水与固体表面有着非常小的接触面积。
为了实现在疏水表面上自发定向输运，传统的做法是依赖化学或者结构梯度，从而使液滴产生不对称的驱动力，以克服三相接触线钉扎产生的阻力。
然而，现有的办法都不可避免地存在传输速度慢或者传输距离短的缺点。尽管借助温度场让液滴维持在莱登夫洛施特（Leidenfrost）状态从而实现液滴的快速运动，但是，额外的高温给实际应用带来一定的局限性。
如何实现常温环境下液滴的自发、快速和定向传输，甚至能克服重力从下往高处运动，是个长期以来悬而未决的挑战。
这个问题，最终被电子科技大学基础与前沿研究院邓旭教授领导的胶体与智能界面团队攻克了。
他们在国际顶尖期刊《自然–材料》（Nature Materials，2018年影响因子39.235）上发表研究成果，题为“Surface charge printing for programmed droplet transport”。
该研究实现了在不依靠外部能量供给情况下液滴的快速长距离自驱动传输，液滴甚至能从超疏水表面下端垂直向上迅速爬升。
基础与前沿研究院博士生孙强强为论文第一作者，基础与前沿研究院邓旭教授、香港城市大学王钻开教授、德国马克斯-普朗克高分子研究所Hans-Jürgen Butt教授为论文通讯作者。
电子科技大学基础与前沿研究院为论文第一单位，这也是电子科技大学首次以第一单位在该期刊发表论文。
他们是怎么做的呢？
图：水滴反重力垂直向上传输
图：水滴反重力悬挂传输
在论文中，他们第一次引入电荷梯度的概念，即表面电荷密度梯度 (SCD gradient)，通过控制撞击高度的连续变化，打印出具有表面电荷密度梯度的特定路径，进而引导水滴的自推进，成功地实现了液滴的快速、长程、无损失传输。
这种室温下类似莱登夫洛施特（Leidenfrost）的传输，能以高达1.1m/s的速度自推进，传输距离理论上无限制。
基于这种表面电荷密度梯度介导的液滴运输，他们展示了以水滴作为轮子的小车沿带电路径自推进的过程(Cargo device)。
同时，他们还发展了基于表面电荷打印方法的无枪头式移液枪(Tipless pipette)，可用于低表面能和高粘度液滴的无损失转移。
图：自推进机理和性能对比
图：弧线及无限制传输
图：弧线及无限制传输
图：以电荷梯度路径为轨道，水滴为轮子的载物装置
图：无枪头式移液枪的设计应用
这篇论文提出的固液界面接触分离后的滞留电荷，对流体动力学的影响是显而易见的，因为在固液界面的动力学作用中，浸润和带电现象往往是同时存在的。
打印表面电荷的方法使我们能够开发新的传感和驱动系统，包括芯片实验室、微流体器件和生物液滴分析装置。
液滴打印表面电荷在其他众多领域还具有重要的应用和理论价值，如纳米自组装、影印及静电电化学等领域，同时这有助于加深对接触带电机理的理解。
在设计其他多功能表面时，这种疏水表面的电荷效应，也是值得关注的。
取得这个科学发现，并不是他们运气好！
“以前没有任何一种方法让水滴超快超长距离传输，我们这项研究成果使得表面电荷梯度引起水滴自运输，还能抵抗重力，继而实现了‘水往高处走’的景象。”孙强强说。
90后博士孙强强
一般情况下，水在超疏水表面（比如荷叶的表面）会因为重力的作用而向下运动，会随着外力或重力的作用而发生无规则或者向下运动。
荷叶的超强疏水性
荷叶表面神奇的纳米结构
那么，到底怎么样实现在超疏水表面上液滴的自发定向输运，甚至能克服重力从下往高处运动呢？
据介绍，近年来孙强强主要就是在做“表面电荷打印用于程序化液滴传输”这一材料科学领域的研究，这项课题从开始发现现象到最后文章发表，历时两年半。
期间，他经历了实验探索与设计，数据分析，文章写作、修改、投稿的漫长过程。
在实验探索阶段，他经常发现一些新奇而又无法解释的现象，着实让人困惑。
面对这样的问题，只能反复实验，仔细观察实验现象，加强理论学习，小心求证。
泡实验室是家常便饭
在对实验现象有了较深入理解后，还要对其进行进一步设计，由于研究的课题没有文献可以直接参考，多数时候只能靠自己在实验室不断尝试，去获得新的东西，这个过程是对意志和身体素质的考验。
同样的考验一直延续到投稿阶段。
面对审稿人大量而又尖锐的问题，孙强强只能选择冷静、踏踏实实地去回答，由于要赶时间，他牺牲掉了春节和国庆假期。
“当然，在回答完审稿人意见后，我发现这篇文章质量明显得到了提高。”孙强强说，“总的来说，科学研究的过程是艰辛而漫长的，不仅要求自己对科学敏锐的嗅觉，还要求拥有坚韧的意志和强健的体魄。”
做出这项研究，还得益于他的导师邓旭教授的悉心指导。
电子科技大学 基础与前沿研究院 邓旭教授
邓旭，电子科技大学基础与前沿研究院教授。马普中德联合界面材料伙伴小组组长。主要从事胶体界面、物理化学、仿生材料等相关研究。承担国际合作专项、国家自然科学基金项目多项，申请欧洲国家发明专利3项，**发明专利2项。研究成果在Science, Nature Materials, PNAS, Nature communication, Physical Review Letter等国际著名杂志发表文章40余篇。科研成果被 Nature Nanotechnology，Nature Physics，MIT Technology Review 等多次作为专题报道。
这项研究成果，到底有什么用？
作为一项基础性的技术，它将在众多领域产生影响，从而改变人们的生产生活。
——比如，该技术可用于集水器，在干旱地区，可以从空气或雾气中收集水分——通过该项技术可以将传输液化的水滴，达到收集的目的，从而提高集水的效率，或将解决水资源紧缺地区缺水的难题，满足人们生产生活所需的用水问题。
——再如，像手机、电脑等处理器的散热处理往往涉及内部液滴的相转变，尤其是高端芯片，散热是个很大的问题。在芯片内部封装的液体蒸发实现降温，在另一端冷凝实现液体的循环利用，而在冷端到热端涉及液滴的传输，借助此项技术可以提升其液滴传输的效率，有利于提高芯片散热效率。
其他更多应用，期待各位同仁一起努力，进一步揭开神秘面纱！
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0440-2
课题组主页：http://www.ccsi.uestc.edu.cn/
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