武漢大學薛龍建教授課題組《Science Advances》：拓撲彈性液體二極管

液體定向輸送技術在微流控系統、霧水收集裝置、噴墨印刷工藝、界面催化反應以及生物醫學工程等領域具有應用。目前，實現高效液體定向輸送的主動方法依賴于外部能量場（如溫度場、光場、磁場或電場）的驅動作用，通過打破液滴潤濕的對稱性來調控液滴運動。然而，這類方法存在明顯的局限性：不僅能耗較高，而且可操控液體體積小，往往需要向液體或基底加入響應性材料。另一方面，生物體通過億萬年進化出精妙的功能化表面，具有特定的化學組成或微觀結構，能夠在不依賴外部能量輸入的情況下實現液體的自發定向運輸。例如，南洋杉葉片的三維棘輪結構由橫向與縱向凹曲率共同構成，三相線的不對稱釘扎實現了不同表面張力液體的選擇性定向傳輸。

近期，受南洋杉葉片結構啟發，武漢大學薛龍建教授、趙焱教授與香港理工大學王鉆開教授團隊合作，在《Science Advances》期刊上發表了一項突破性研究，題為“Topological elastic liquid diode"。該研究構建的拓撲彈性液體二極管（TELD）不僅能夠實現液體的單向長程輸運，還可對流動路徑進行原位動態調控。TELD的創新之處在于利用正交方向力的競爭，實現對液體流向的精準按需操控，且可通過兩種獨立模式實現：一是在彈性基底層中施加機械應變，二是調節液體的注入速率。此外，TELD在電路的邏輯門控、微化學反應器及霧水收集等實際場景中展現出優異的應用潛力。

作者結合聚二甲基硅氧烷（PDMS）和棘輪陣列結構設計了彈性液體二極管（圖1）。在模板制備上，與傳統的制備手段相比，3D打印技術具有高精度制造、復雜三維構型自由成型、可高度定制化能力，滿足仿南洋杉葉片三維雙曲率結構的制備要求。作者通過摩方精密microArch® S230（精度：2 μm）3D打印系統制備了仿南洋杉葉片棘輪陣列硬模板，結合軟印刷技術與基底預拉伸制備了TELD。調控TELD基底層的應變（模式1）或液體注射速度（模式2）實現了液體流動方向的可逆操縱，為微流控系統提供了一種動態控制新策略。

圖1. TELD的設計、概念及液體操控模式。

模式1：通過機械應變調節正交方向阻力的競爭關系，實現液體輸運方向的精確控制與啟停（圖2）。在未拉伸狀態下（k = 1.6），液體因側向阻力較大而沿正向（Df）運輸；當施加超過27%臨界應變時，棘輪結構間距重構使側向阻力（Dl）減小，實現液體轉向。研究創新性提出“應力閥"概念：拉伸30%應變可即時暫停液流達2分鐘以上，釋放應力后流動立即恢復，無需傳統閥門結構。通過設計梯度k值，液體可在TELD表面實現90°轉向后繼續前行。

圖2. 模式1的調控機制與路徑調控。

該團隊進一步提出基于流速調控的微流體路徑動態切換技術（模式2，圖3）。通過精準控制液體注射速率，在螺旋TELD表面實現了流動軌跡的即時重構。當乙醇以1 μL/s恒速注入時，液流沿既定棘輪列穩定前行；將注射速度突增至2 μL/s時，液流產生橫向轉向，自動切換至相鄰棘輪列繼續傳輸。通過階梯式提升流速（1→2→4→6 μL/s），可誘導液流完成三次連續路徑偏移，形成可控的“多級變軌"運輸。該路徑控制機理在于：流速突變導致液體積聚，其重力分量在螺旋結構中被分解為側向驅動力與正向驅動力。當側向力超越臨界阻力時，即觸發路徑切換。這種創新方法將流體慣性效應與結構幾何參數（Φ）巧妙耦合。相比傳統微閥技術，TELD具有無需物理閥門、能耗低、響應速度快等優勢。

圖3. 模式2的調控機制與路徑調控。

作者將TELD用于邏輯電路門控、微化學反應控制和霧水收集（圖4）。在邏輯電路門控上，將TELD連接于電路系統，通過機械應變精確控制液流路徑：未拉伸時導通綠色LED（兩列通道）；20%應變觸發黃色LED（四列通道）；40%應變點亮紅色LED（六列通道），實現了應力-光信號的直接轉換。在化學反應控制方面，TELD展現出優異的時空調控能力。鹽酸-氫氧化鈉中和實驗表明，通過25%應變調節可使三個檢測位點的反應同步啟動，并在1.92秒內完成，較未拉伸狀態提升顯著。在霧水收集方面，基于流速調控原理設計的螺旋形TELD在85%濕度環境下集水效率遠超平面結構，這得益于其分段液流形成機制和前端質量觸發的路徑自調節功能。

圖4. TELD對液體流動方向調控的應用。

總結：

受南洋杉葉片三維棘輪結構的啟發，研究團隊創新性地采用摩方面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術結合模板法，成功研發了具有仿生棘輪陣列的拓撲彈性液體二極管（TELD）。該器件展現出的液體定向操控能力，可通過應變調控和液體注射速度兩種獨立模式精準調控乙醇流動路徑。該TELD平臺集多功能于一體，既可充當流體邏輯門和應力閥，又能作為微流控反應器和高效霧水收集裝置。這項研究不僅為親液表面的液體操控提供了新策略，更為柔性電子、芯片實驗室和生物醫學工程等領域的發展開辟了新途徑。