武漢大學(xué)薛龍建教授課題組《Science Advances》：拓?fù)鋸椥砸后w二極管

液體定向輸送技術(shù)在微流控系統(tǒng)、霧水收集裝置、噴墨印刷工藝、界面催化反應(yīng)以及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域具有應(yīng)用。目前，實(shí)現(xiàn)高效液體定向輸送的主動(dòng)方法依賴于外部能量場(chǎng)（如溫度場(chǎng)、光場(chǎng)、磁場(chǎng)或電場(chǎng)）的驅(qū)動(dòng)作用，通過打破液滴潤濕的對(duì)稱性來調(diào)控液滴運(yùn)動(dòng)。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(yīng)性材料。另一方面，生物體通過億萬年進(jìn)化出精妙的功能化表面，具有特定的化學(xué)組成或微觀結(jié)構(gòu)，能夠在不依賴外部能量輸入的情況下實(shí)現(xiàn)液體的自發(fā)定向運(yùn)輸。例如，南洋杉葉片的三維棘輪結(jié)構(gòu)由橫向與縱向凹曲率共同構(gòu)成，三相線的不對(duì)稱釘扎實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)啟發(fā)，武漢大學(xué)薛龍建教授、趙焱教授與香港理工大學(xué)王鉆開教授團(tuán)隊(duì)合作，在《Science Advances》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，題為“Topological elastic liquid diode"。該研究構(gòu)建的拓?fù)鋸椥砸后w二極管（TELD）不僅能夠?qū)崿F(xiàn)液體的單向長程輸運(yùn)，還可對(duì)流動(dòng)路徑進(jìn)行原位動(dòng)態(tài)調(diào)控。TELD的創(chuàng)新之處在于利用正交方向力的競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體流向的精準(zhǔn)按需操控，且可通過兩種獨(dú)立模式實(shí)現(xiàn)：一是在彈性基底層中施加機(jī)械應(yīng)變，二是調(diào)節(jié)液體的注入速率。此外，TELD在電路的邏輯門控、微化學(xué)反應(yīng)器及霧水收集等實(shí)際場(chǎng)景中展現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)用潛力。

作者結(jié)合聚二甲基硅氧烷（PDMS）和棘輪陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了彈性液體二極管（圖1）。在模板制備上，與傳統(tǒng)的制備手段相比，3D打印技術(shù)具有高精度制造、復(fù)雜三維構(gòu)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(jié)構(gòu)的制備要求。作者通過摩方精密microArch® S230（精度：2 μm）3D打印系統(tǒng)制備了仿南洋杉葉片棘輪陣列硬模板，結(jié)合軟印刷技術(shù)與基底預(yù)拉伸制備了TELD。調(diào)控TELD基底層的應(yīng)變（模式1）或液體注射速度（模式2）實(shí)現(xiàn)了液體流動(dòng)方向的可逆操縱，為微流控系統(tǒng)提供了一種動(dòng)態(tài)控制新策略。

圖1. TELD的設(shè)計(jì)、概念及液體操控模式。

模式1：通過機(jī)械應(yīng)變調(diào)節(jié)正交方向阻力的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)液體輸運(yùn)方向的精確控制與啟停（圖2）。在未拉伸狀態(tài)下（k = 1.6），液體因側(cè)向阻力較大而沿正向（Df）運(yùn)輸；當(dāng)施加超過27%臨界應(yīng)變時(shí)，棘輪結(jié)構(gòu)間距重構(gòu)使側(cè)向阻力（Dl）減小，實(shí)現(xiàn)液體轉(zhuǎn)向。研究創(chuàng)新性提出“應(yīng)力閥"概念：拉伸30%應(yīng)變可即時(shí)暫停液流達(dá)2分鐘以上，釋放應(yīng)力后流動(dòng)立即恢復(fù)，無需傳統(tǒng)閥門結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計(jì)梯度k值，液體可在TELD表面實(shí)現(xiàn)90°轉(zhuǎn)向后繼續(xù)前行。

圖2. 模式1的調(diào)控機(jī)制與路徑調(diào)控。

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出基于流速調(diào)控的微流體路徑動(dòng)態(tài)切換技術(shù)（模式2，圖3）。通過精準(zhǔn)控制液體注射速率，在螺旋TELD表面實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)軌跡的即時(shí)重構(gòu)。當(dāng)乙醇以1 μL/s恒速注入時(shí)，液流沿既定棘輪列穩(wěn)定前行；將注射速度突增至2 μL/s時(shí)，液流產(chǎn)生橫向轉(zhuǎn)向，自動(dòng)切換至相鄰棘輪列繼續(xù)傳輸。通過階梯式提升流速（1→2→4→6 μL/s），可誘導(dǎo)液流完成三次連續(xù)路徑偏移，形成可控的“多級(jí)變軌"運(yùn)輸。該路徑控制機(jī)理在于：流速突變導(dǎo)致液體積聚，其重力分量在螺旋結(jié)構(gòu)中被分解為側(cè)向驅(qū)動(dòng)力與正向驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)側(cè)向力超越臨界阻力時(shí)，即觸發(fā)路徑切換。這種創(chuàng)新方法將流體慣性效應(yīng)與結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)（Φ）巧妙耦合。相比傳統(tǒng)微閥技術(shù)，TELD具有無需物理閥門、能耗低、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)。

圖3. 模式2的調(diào)控機(jī)制與路徑調(diào)控。

作者將TELD用于邏輯電路門控、微化學(xué)反應(yīng)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(tǒng)，通過機(jī)械應(yīng)變精確控制液流路徑：未拉伸時(shí)導(dǎo)通綠色LED（兩列通道）；20%應(yīng)變觸發(fā)黃色LED（四列通道）；40%應(yīng)變點(diǎn)亮紅色LED（六列通道），實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力-光信號(hào)的直接轉(zhuǎn)換。在化學(xué)反應(yīng)控制方面，TELD展現(xiàn)出優(yōu)異的時(shí)空調(diào)控能力。鹽酸-氫氧化鈉中和實(shí)驗(yàn)表明，通過25%應(yīng)變調(diào)節(jié)可使三個(gè)檢測(cè)位點(diǎn)的反應(yīng)同步啟動(dòng)，并在1.92秒內(nèi)完成，較未拉伸狀態(tài)提升顯著。在霧水收集方面，基于流速調(diào)控原理設(shè)計(jì)的螺旋形TELD在85%濕度環(huán)境下集水效率遠(yuǎn)超平面結(jié)構(gòu)，這得益于其分段液流形成機(jī)制和前端質(zhì)量觸發(fā)的路徑自調(diào)節(jié)功能。

圖4. TELD對(duì)液體流動(dòng)方向調(diào)控的應(yīng)用。

總結(jié)：

受南洋杉葉片三維棘輪結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用摩方面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)結(jié)合模板法，成功研發(fā)了具有仿生棘輪陣列的拓?fù)鋸椥砸后w二極管（TELD）。該器件展現(xiàn)出的液體定向操控能力，可通過應(yīng)變調(diào)控和液體注射速度兩種獨(dú)立模式精準(zhǔn)調(diào)控乙醇流動(dòng)路徑。該TELD平臺(tái)集多功能于一體，既可充當(dāng)流體邏輯門和應(yīng)力閥，又能作為微流控反應(yīng)器和高效霧水收集裝置。這項(xiàng)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(shí)驗(yàn)室和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域的發(fā)展開辟了新途徑。