液體定向輸送技術(shù)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(xué)工程等領(lǐng)域具有應用。目前，實(shí)現高效液體定向輸送的主動(dòng)方法依賴(lài)于外部能量場(chǎng)（如溫度場(chǎng)、光場(chǎng)、磁場(chǎng)或電場(chǎng)）的驅動(dòng)作用，通過(guò)打破液滴潤濕的對稱(chēng)性來(lái)調控液滴運動(dòng)。然而，這類(lèi)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(guò)億萬(wàn)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(guān)結構，能夠在不依賴(lài)外部能量輸入的情況下實(shí)現液體的自發(fā)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(xiàn)的不對稱(chēng)釘扎實(shí)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(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(kāi)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"。該研究構建的拓撲彈性液體二極管（TELD）不僅能夠實(shí)現液體的單向長(cháng)程輸運，還可對流動(dòng)路徑進(jìn)行原位動(dòng)態(tài)調控。TELD的創(chuàng )新之處在于利用正交方向力的競爭，實(shí)現對液體流向的精準按需操控，且可通過(guò)兩種獨立模式實(shí)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(mén)控、微化學(xué)反應器及霧水收集等實(shí)際場(chǎng)景中展現出優(yōu)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(shù)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(mǎn)足仿南洋杉葉片三維雙曲率結構的制備要求。作者通過(guò)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(shù)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(shí)現了液體流動(dòng)方向的可逆操縱，為微流控系統提供了一種動(dòng)態(tài)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(guò)機械應變調節正交方向阻力的競爭關(guān)系，實(shí)現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），液體因側向阻力較大而沿正向（Df）運輸；當施加超過(guò)27%臨界應變時(shí)，棘輪結構間距重構使側向阻力（Dl）減小，實(shí)現液體轉向。研究創(chuàng )新性提出“應力閥"概念：拉伸30%應變可即時(shí)暫停液流達2分鐘以上，釋放應力后流動(dòng)立即恢復，無(wú)需傳統閥門(mén)結構。通過(guò)設計梯度k值，液體可在TELD表面實(shí)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(jìn)一步提出基于流速調控的微流體路徑動(dòng)態(tài)切換技術(shù)（模式2，圖3）。通過(guò)精準控制液體注射速率，在螺旋TELD表面實(shí)現了流動(dòng)軌跡的即時(shí)重構。當乙醇以1 μL/s恒速注入時(shí)，液流沿既定棘輪列穩定前行；將注射速度突增至2 μL/s時(shí)，液流產(chǎn)生橫向轉向，自動(dòng)切換至相鄰棘輪列繼續傳輸。通過(guò)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(dòng)力與正向驅動(dòng)力。當側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與結構幾何參數（Φ）巧妙耦合。相比傳統微閥技術(shù)，TELD具有無(wú)需物理閥門(mén)、能耗低、響應速度快等優(yōu)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(mén)控、微化學(xué)反應控制和霧水收集（圖4）。在邏輯電路門(mén)控上，將TELD連接于電路系統，通過(guò)機械應變精確控制液流路徑：未拉伸時(shí)導通綠色LED（兩列通道）；20%應變觸發(fā)黃色LED（四列通道）；40%應變點(diǎn)亮紅色LED（六列通道），實(shí)現了應力-光信號的直接轉換。在化學(xué)反應控制方面，TELD展現出優(yōu)異的時(shí)空調控能力。鹽酸-氫氧化鈉中和實(shí)驗表明，通過(guò)25%應變調節可使三個(gè)檢測位點(diǎn)的反應同步啟動(dòng)，并在1.92秒內完成，較未拉伸狀態(tài)提升顯著(zhù)。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(huán)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(zhì)量觸發(fā)的路徑自調節功能。

圖4. TELD對液體流動(dòng)方向調控的應用。

總結：

受南洋杉葉片三維棘輪結構的啟發(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）。該器件展現出的液體定向操控能力，可通過(guò)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(dòng)路徑。該TELD平臺集多功能于一體，既可充當流體邏輯門(mén)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(shí)驗室和生物醫學(xué)工程等領(lǐng)域的發(fā)展開(kāi)辟了新途徑。