在微尺度下，可控液體操控技術(shù)廣泛應(yīng)用于各類生命系統(tǒng)和工程領(lǐng)域。研究人員通過界面科學(xué)理論和生物學(xué)的啟發(fā)，利用精密加工和開發(fā)智能材料，在近二十年間提出了一系列的液體操控技術(shù)，滿足了微流控、生化分析等領(lǐng)域?qū)芊€(wěn)定的液體操作需求。當(dāng)前的技術(shù)思路主要分為兩類：第一類是利用無需能量輸入的被動(dòng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)來調(diào)控液體動(dòng)力學(xué)，如豬籠草上的定向液體輸運(yùn)和蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的集水現(xiàn)象；第二類是通過引入動(dòng)態(tài)外部場來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜可調(diào)的液體行為，如利用電場、磁場、聲場等對液體進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控。當(dāng)下關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于，如何構(gòu)建一種兼具被動(dòng)操作簡單性和主動(dòng)調(diào)控靈活性的新型液體操控范式，這是未來液體操控技術(shù)邁向?qū)嵱没闹匾徊健?/p>

近日，香港大學(xué)機(jī)械工程系A(chǔ)lan C. H. Tsang教授團(tuán)隊(duì)提出了一種簡單、可調(diào)的三維液體操控范式，通過耦合可重構(gòu)分級整流器和預(yù)編程靜態(tài)磁場，實(shí)現(xiàn)了固液界面能的靈活調(diào)控。這種新范式支持基于簡化系統(tǒng)的多模態(tài)、高靈活性和易拓展的液體操控，不僅消除了對外場實(shí)時(shí)控制需求，還顯著增加了結(jié)構(gòu)化界面對液體操控的可能性（圖1），從而打破了傳統(tǒng)液體操控的局限性，為下一代液體檢測設(shè)備、微流體器件和自動(dòng)生化平臺等應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

相關(guān)成果以“Reconfigurability-Encoded Hierarchical Rectifiers for Versatile 3D Liquid Manipulation"為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Advanced Science》上，香港大學(xué)機(jī)械系博士研究生苗佳麒為本文第一作者，Alan C. H. Tsang教授為本文通訊作者，香港大學(xué)為該論文的通信單位。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種含有軟基底和磁化微棘輪陣列的可重構(gòu)液體整流器。微棘輪結(jié)構(gòu)具有微米尺度的多級結(jié)構(gòu)特征，包括底部曲率和異質(zhì)傾斜錐體。為滿足其加工需求，團(tuán)隊(duì)采用摩方精密microArch®S240（精度：10 μm）3D打印設(shè)備，制備了整流器模板，并結(jié)合翻模技術(shù)制備了樣品。圖2示意了這一加工過程，并提供了對整流器結(jié)構(gòu)和材料的詳細(xì)表征。新型液體操控范式的另一核心元素是由外部小型N52硬磁體陣列構(gòu)造的預(yù)編程靜態(tài)磁場。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)化的磁場配置方案，包括準(zhǔn)勻強(qiáng)磁場和周期性梯度磁場，并系統(tǒng)性研究了不同磁場條件下整流器的構(gòu)型變化，以提供通用化的指導(dǎo)（圖2）。

整流器的微棘輪結(jié)構(gòu)通過調(diào)控液固界面能實(shí)現(xiàn)對寬范圍表面張力液體（23-72 mN/m）的定向操控（圖3）。較低表面張力液體由底部曲率構(gòu)造的拉普拉斯壓力不對稱引導(dǎo)至X-方向（直通模式）；由于受到頂部異質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，較高表面張力液體在X-方向液體前進(jìn)線被阻斷，導(dǎo)致其向相反的X+方向定向填充微棘輪（重入模式）。以乙醇-水二元液體體系為例，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了不同表面張力液體在XY面的運(yùn)輸行為，并提供了對整流器的通用性評估（圖3），包括：①討論了高注入流速下慣性介導(dǎo)的流動(dòng)狀態(tài)變化（用韋伯?dāng)?shù)We來衡量）；②揭示了棘輪設(shè)計(jì)中的尺度依賴效應(yīng)，即在合適尺度下整流器才可以呈現(xiàn)多模態(tài)液體操控。

引入預(yù)編程磁場后，整流器構(gòu)型設(shè)計(jì)變得豐富多樣，這使得重構(gòu)形態(tài)的整流器相比原構(gòu)型具有更靈活和復(fù)雜的液體操控能力（圖4）。研究團(tuán)隊(duì)首先分析了準(zhǔn)勻強(qiáng)磁場的方向和強(qiáng)度如何影響整流器對液體的調(diào)控，包括改善液體整流效果和調(diào)控特定表面張力液體的輸運(yùn)方向。當(dāng)使用更復(fù)雜的非均勻磁場時(shí)，原構(gòu)型下的整流規(guī)則將發(fā)生變化。具體地，研究團(tuán)隊(duì)展示了梯度磁場下的時(shí)空可控的直通式定向液體運(yùn)輸，以及注入位置決定的單/雙向重入式液體運(yùn)輸。這些結(jié)果表明，通過預(yù)編程磁場激發(fā)的重構(gòu)整流器可支持更復(fù)雜的液體調(diào)控，且這些調(diào)控基于靜態(tài)構(gòu)型，從而免去了實(shí)時(shí)外場干預(yù)帶來的復(fù)雜性，具有很大的應(yīng)用潛力。

研究團(tuán)隊(duì)基于所提液體操控范式進(jìn)一步拓展了幾類潛在應(yīng)用（圖5）：①新穎的界面毛細(xì)現(xiàn)象支持的便攜式液體純度檢測；②模擬尺蠖的液體定向“蠕動(dòng)"；③邏輯化液體運(yùn)輸系統(tǒng)；④時(shí)空可控的自動(dòng)化生化分析平臺。

綜上，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種結(jié)合多模態(tài)液體整流器和可編程磁場的新型液體操控范式。該范式通過緊密地集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外部驅(qū)動(dòng)磁場，實(shí)現(xiàn)了界面能的按需調(diào)節(jié)，以豐富液體的三維操控。其優(yōu)勢在于整流器的高性能引導(dǎo)能力和廣泛適用性，以及磁場干預(yù)方案的簡單性和可擴(kuò)展性。這類可重構(gòu)系統(tǒng)已被證明在便攜式液體識別、開放通道微流體、即時(shí)診斷設(shè)備等應(yīng)用中具有巨大潛力。從更廣泛的角度來看，擬議的液體操控范式也可以擴(kuò)展到各種外場和表面結(jié)構(gòu)的耦合方法之中，并在復(fù)雜的多相界面操作中發(fā)揮作用。這些進(jìn)展為創(chuàng)新液體操控器件的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了新的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐范式。