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界面结构通过不对称运动能够实现优异的输运功能。以自然界中的纤毛为例，这些微小而密集的驱动单元进行着协同的不对称运动，从而实现对微观及宏观块体的输运，例如，草履虫对食物的输运，粘液凝胶在气管的输运以及成神经细胞在大脑中的输运。
很多响应性的材料用在人造微驱动器中，可以实现弯曲、扭动和旋转，例如，电响应的纳米线或薄膜，磁响应的纳米棒、微柱或微片，离子或温度响应的水凝胶微片以及光响应的液晶纤毛。这些人造纤毛限于对分子，纳米粒子以及微米粒子进行定向的输运。然而，利用人工界面材料在液体中实现宏观物体的定向输运是一个巨大的挑战。例如，当前人造气管缺乏凝胶状粘痰输运的能力。
最近，中科院理化所王树涛研究团队利用各向异性的磁响应性微纤毛阵列，在周期性变化的磁场中，首次实现了对厘米级水凝胶块体的定向输运。
图1 磁响应性各向异性人造纤毛阵列对水凝胶块体的输运。
图2 人造纤毛阵列摆动产生的流体。
通过调节人造纤毛的倾角、阵列间距可以调节其输运速率。从图2中可以看出，只有当纤毛是倾斜的时候，水凝胶块体才能被定向输运；竖直纤毛的摆动只能引起水凝胶块体的原位振动。为了探究其中的机理，研究团队以蓝色的染料液滴为指示剂，利用高速摄像机观察了纤毛摆动时产生的流体流动情况：倾斜的纤毛阵列摆动时能够产生定向的水平流体，而竖直的纤毛阵列摆动时仅产生竖直流体。
进一步，利用COMSOL对纤毛摆动行为以及产生的流场进行模拟。模拟结果与实验数据的变化趋势相符，阐明了纤毛对宏观物体的输运机理：通过人造纤毛阵列的不对称摆动产生定向流体，继而带动物体定向运动。
图3 COMSOL模拟中纤毛上方的流体速率与纤毛阵列间距的关系。
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这种磁响应性的微纤毛阵列在宏观物体输运的应用中有良好的前景。该研究为这一领域提供了新的研究思路，为下一代宏观物质输运的仿生界面材料研究指出了方向。此外，除了磁响应性，其他响应性材料如电响应，温度、pH响应或光响应的新材料都可以用来制备这种微纤毛阵列。界面的宏观物质输运功能研究尚处在萌芽阶段，进一步的理论研究与应用研究对于微流控、微机电、生物医用材料和器件有重要意义。
该研究得到了国家自然科学基金以及长江学者计划的资助。相关论文以“Directional transport of centimeter-scale object on anisotropic microcilia surface under water”发表于Science China Materials, 2018, doi: 10.1007/s40843-018-9302-4。
原文：http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCMs/doi/10.1007/s40843-018-9302-4?slug=full%20text
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