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)學工程等領(lǐng)域具有應(yīng)用。目前，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、光場、磁場或電場）的驅(qū)動作用，通過打破液滴潤濕的對稱性來調(diào)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(yīng)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(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。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，受南洋杉葉片結(jié)構(gòu)啟發(fā)，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(fā)表了一項突破性研究，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，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，實現(xiàn)對液體流向的精準按需操控，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(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、微化學反應(yīng)器及霧水收集等實際場景中展現(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）實現(xiàn)了液體流動方向的可逆操縱，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、概念及液體操控模式。

模式1：通過機械應(yīng)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）。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）運輸；當施加超過27%臨界應(yīng)變時，棘輪結(jié)構(gòu)間距重構(gòu)使側(cè)向阻力（Dl）減小，實現(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)變可即時暫停液流達2分鐘以上，釋放應(yīng)力后流動立即恢復(fù)，無需傳統(tǒng)閥門結(jié)構(gòu)。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。

圖2. 模式1的調(diào)控機制與路徑調(diào)控。

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）。通過精準控制液體注射速率，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，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，液流產(chǎn)生橫向轉(zhuǎn)向，自動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“多級變軌"運輸。該路徑控制機理在于：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)動力與正向驅(qū)動力。當側(cè)向力超越臨界阻力時，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。

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、微化學反應(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)，通過機械應(yīng)變精確控制液流路徑：未拉伸時導(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)變點亮紅色LED（六列通道），實現(xiàn)了應(yīng)力-光信號的直接轉(zhuǎn)換。在化學反應(yīng)控制方面，TELD展現(xiàn)出優(yōu)異的時空調(diào)控能力。鹽酸-氫氧化鈉中和實驗表明，通過25%應(yīng)變調(diào)節(jié)可使三個檢測位點的反應(yīng)同步啟動，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。

圖4. TELD對液體流動方向調(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，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）。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立模式精準調(diào)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(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(yī)學工程等領(lǐng)域的發(fā)展開辟了新途徑。