液體定向輸送技術(shù)在微流控系統(tǒng)、霧水收集裝置意見征詢、噴墨印刷工藝提升、界面催化反應以及生物醫(yī)學工程等領(lǐng)域具有應用。目前的必然要求，實現(xiàn)高效液體定向輸送的主動方法依賴于外部能量場（如溫度場研究成果、光場、磁場或電場）的驅(qū)動作用應用擴展，通過打破液滴潤濕的對稱性來調(diào)控液滴運動體驗區。然而，這類方法存在明顯的局限性：不僅能耗較高活動上，而且可操控液體體積小有望，往往需要向液體或基底加入響應性材料。另一方面導向作用，生物體通過億萬年進化出精妙的功能化表面方案，具有特定的化學組成或微觀結(jié)構(gòu)，能夠在不依賴外部能量輸入的情況下實現(xiàn)液體的自發(fā)定向運輸十大行動。例如左右，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)成背景下，三相線的不對稱釘扎實現(xiàn)了不同表面張力液體的選擇性定向傳輸。

近期可靠保障，受南洋杉葉片結(jié)構(gòu)啟發(fā)自然條件，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開展，在《Science Advances》期刊上發(fā)表了一項突破性研究互動互補，題為“Topological elastic liquid diode"。該研究構(gòu)建的拓撲彈性液體二極管（TELD）不僅能夠?qū)崿F(xiàn)液體的單向長程輸運發展成就，還可對流動路徑進行原位動態(tài)調(diào)控。TELD的創(chuàng)新之處在于利用正交方向力的競爭重要方式，實現(xiàn)對液體流向的精準按需操控開展面對面，且可通過兩種獨立模式實現(xiàn)：一是在彈性基底層中施加機械應變，二是調(diào)節(jié)液體的注入速率非常重要。此外進一步提升，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(xiàn)出優(yōu)異的應用潛力營造一處。

作者結(jié)合聚二甲基硅氧烷（PDMS）和棘輪陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計了彈性液體二極管（圖1）改革創新。在模板制備上，與傳統(tǒng)的制備手段相比取得顯著成效，3D打印技術(shù)具有高精度制造新模式、復雜三維構(gòu)型自由成型、可高度定制化能力不容忽視，滿足仿南洋杉葉片三維雙曲率結(jié)構(gòu)的制備要求組織了。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)與基底預拉伸制備了TELD進入當下。調(diào)控TELD基底層的應變（模式1）或液體注射速度（模式2）實現(xiàn)了液體流動方向的可逆操縱紮實，為微流控系統(tǒng)提供了一種動態(tài)控制新策略。

圖1. TELD的設(shè)計新體系、概念及液體操控模式投入力度。

模式1：通過機械應變調(diào)節(jié)正交方向阻力的競爭關(guān)系，實現(xiàn)液體輸運方向的精確控制與啟停（圖2）不難發現。在未拉伸狀態(tài)下（k = 1.6）貢獻法治，液體因側(cè)向阻力較大而沿正向（Df）運輸；當施加超過27%臨界應變時發展需要，棘輪結(jié)構(gòu)間距重構(gòu)使側(cè)向阻力（Dl）減小共享，實現(xiàn)液體轉(zhuǎn)向。研究創(chuàng)新性提出“應力閥"概念：拉伸30%應變可即時暫停液流達2分鐘以上方式之一，釋放應力后流動立即恢復生動，無需傳統(tǒng)閥門結(jié)構(gòu)新型儲能。通過設(shè)計梯度k值，液體可在TELD表面實現(xiàn)90°轉(zhuǎn)向后繼續(xù)前行新品技。

圖2. 模式1的調(diào)控機制與路徑調(diào)控範圍。

該團隊進一步提出基于流速調(diào)控的微流體路徑動態(tài)切換技術(shù)（模式2，圖3）紮實做。通過精準控制液體注射速率空間廣闊，在螺旋TELD表面實現(xiàn)了流動軌跡的即時重構(gòu)。當乙醇以1 μL/s恒速注入時提供深度撮合服務，液流沿既定棘輪列穩(wěn)定前行服務品質；將注射速度突增至2 μL/s時，液流產(chǎn)生橫向轉(zhuǎn)向組成部分，自動切換至相鄰棘輪列繼續(xù)傳輸影響。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(xù)路徑偏移的過程中，形成可控的“多級變軌"運輸發展契機。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(jié)構(gòu)中被分解為側(cè)向驅(qū)動力與正向驅(qū)動力促進進步。當側(cè)向力超越臨界阻力時發力，即觸發(fā)路徑切換。這種創(chuàng)新方法將流體慣性效應與結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)（Φ）巧妙耦合迎來新的篇章。相比傳統(tǒng)微閥技術(shù)共創美好，TELD具有無需物理閥門、能耗低蓬勃發展、響應速度快等優(yōu)勢喜愛。

圖3. 模式2的調(diào)控機制與路徑調(diào)控。

作者將TELD用于邏輯電路門控開放要求、微化學反應控制和霧水收集（圖4）向好態勢。在邏輯電路門控上，將TELD連接于電路系統(tǒng)服務機製，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）貢獻力量；20%應變觸發(fā)黃色LED（四列通道）；40%應變點亮紅色LED（六列通道）大幅拓展，實現(xiàn)了應力-光信號的直接轉(zhuǎn)換發行速度。在化學反應控制方面，TELD展現(xiàn)出優(yōu)異的時空調(diào)控能力與時俱進。鹽酸-*中和實驗表明性能，通過25%應變調(diào)節(jié)可使三個檢測位點的反應同步啟動，并在1.92秒內(nèi)完成綜合運用，較未拉伸狀態(tài)提升顯著供給。在霧水收集方面的方法，基于流速調(diào)控原理設(shè)計的螺旋形TELD在85%濕度環(huán)境下集水效率遠超平面結(jié)構(gòu)，這得益于其分段液流形成機制和前端質(zhì)量觸發(fā)的路徑自調(diào)節(jié)功能進行探討。

圖4. TELD對液體流動方向調(diào)控的應用落到實處。

總結(jié)：

受南洋杉葉片三維棘輪結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究團隊創(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)合模板法最新，成功研發(fā)了具有仿生棘輪陣列的拓撲彈性液體二極管（TELD）技術創新。該器件展現(xiàn)出的液體定向操控能力，可通過應變調(diào)控和液體注射速度兩種獨立模式精準調(diào)控乙醇流動路徑重要作用。該TELD平臺集多功能于一體持續向好，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充足。這項研究不僅為親液表面的液體操控提供了新策略進展情況，更為柔性電子、芯片實驗室和生物醫(yī)學工程等領(lǐng)域的發(fā)展開辟了新途徑方案。