液體在固體微結(jié)構(gòu)表面上的定向鋪展、分流與分離，是潤(rùn)濕科學(xué)和微流控系統(tǒng)的重要科學(xué)與工程問題，直接關(guān)系到無(wú)外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)液體輸運(yùn)、油水高效分離、現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)分析以及智能潤(rùn)滑與冷卻等應(yīng)用。傳統(tǒng)的理論解釋通常將液體的單向鋪展歸因于尖銳臺(tái)階對(duì)三相接觸線的釘扎效應(yīng)。然而，對(duì)于自然界常見的高曲率弓形邊緣（如豬籠草口緣），學(xué)界仍缺乏統(tǒng)一、可預(yù)測(cè)的理論，來(lái)描述其在不同潤(rùn)濕條件下如何阻滯鋪展并誘導(dǎo)液體選擇方向。這也限制了此類幾何單元向標(biāo)準(zhǔn)化微流控組件的工程化轉(zhuǎn)化。

針對(duì)上述問題，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院張輝副教授團(tuán)隊(duì)近日在《Chemical Engineering Journal》發(fā)表研究論文“Arch shaped high curvature edge design for selective microfluidics"。該研究提出了基于最小作用原理的高曲率弓形邊緣設(shè)計(jì)框架，利用能量最小化與三維界面形貌預(yù)測(cè)，給出了弓形高曲率邊緣在不同接觸角條件下對(duì)液體鋪展產(chǎn)生最大阻礙的判據(jù)，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)了基于接觸角差異的選擇性分流、篩選與分離。

圖1概述了弓形高曲率邊緣的基本作用機(jī)理。團(tuán)隊(duì)以豬籠草口緣為靈感，比較液體沿弓形高曲率邊緣正向、反向鋪展的差異。研究表明，當(dāng)液體試圖跨越弓形高曲率邊緣向外擴(kuò)展時(shí)，三相接觸線在該高曲率區(qū)域受到顯著釘扎，形成明顯的阻礙屏障；相比之下，液體沿相反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)阻力顯著降低。研究團(tuán)隊(duì)將局部高曲率視作可量化的“邊緣幾何勢(shì)壘"，并將這一勢(shì)壘與經(jīng)典Gibbs判據(jù)建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而使“邊緣如何攔截液體"可以被定量描述。

圖2給出了理論建模結(jié)果。團(tuán)隊(duì)基于最小作用原理，將液體自由界面的三維形貌、表面能與重力勢(shì)能統(tǒng)一到同一能量框架，通過能量極小值求解預(yù)測(cè)彎曲邊緣附近三相接觸線的穩(wěn)定形態(tài)。模型結(jié)果表明接觸角是主要控制量，幾何參數(shù)（如流道深寬比和尺寸大小）會(huì)調(diào)節(jié)界面形貌并影響鋪展阻礙強(qiáng)度。該分析為在特定潤(rùn)濕性下選取有效的弓形曲率、從而獲得最大鋪展阻力，提供了明確的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

在實(shí)驗(yàn)部分，研究團(tuán)隊(duì)依托摩方精密的面投影微立體光刻（PμSL）3D打印系統(tǒng)（nanoArch® P150，精度：25 μm）批量制備了具有雙側(cè)弓形邊緣的微流道結(jié)構(gòu)，并在微米尺度上穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)目標(biāo)曲率特征。隨后向微流道中注入不同乙醇/水配比的流體，通過改變潤(rùn)濕性（接觸角）對(duì)流體鋪展行為進(jìn)行調(diào)控。結(jié)果顯示，液體在兩側(cè)通道之間表現(xiàn)出明確的定向鋪展選擇，且該選擇性會(huì)在特定接觸角區(qū)間發(fā)生反轉(zhuǎn)（圖3）。這一現(xiàn)象表明，高曲率弓形邊緣可作為可調(diào)的幾何閾值，實(shí)現(xiàn)無(wú)需外加場(chǎng)的潤(rùn)濕性判別式導(dǎo)流。

在上述原理的基礎(chǔ)上，依托摩方精密PμSL3D打印系統(tǒng)制備的弓形高曲率邊緣結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將同一設(shè)計(jì)思路延伸至器件級(jí)集成，構(gòu)建了三類功能化微流控模塊（圖4）。具體包括能夠基于接觸角差異實(shí)現(xiàn)液體在三條支路間選擇性分流的Y型分支通道，可通過不同潤(rùn)濕性的流體在預(yù)設(shè)槽位中的走向形成可讀輸出的流體數(shù)字顯示結(jié)構(gòu)，以及依靠曲率設(shè)定的潤(rùn)濕閾值實(shí)現(xiàn)油水高效分離的分離模塊。結(jié)果表明，高曲率弓形邊緣可以作為可制造、可復(fù)用的幾何單元，用于實(shí)現(xiàn)分流、識(shí)別和分離等核心操作，為微流控體系的定向輸運(yùn)、分區(qū)調(diào)控與模塊化集成提供了可推廣的結(jié)構(gòu)策略。

總體而言，該工作將自然界的弓形高曲率邊緣由經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象提升為可計(jì)算、可制造、可集成的功能單元。在理論層面，研究建立了基于最小作用原理的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，明確了在不同接觸角條件下應(yīng)如何選取曲率、深寬比與尺寸大小以獲得更強(qiáng)的鋪展阻礙和清晰的分流閾值。在實(shí)驗(yàn)層面，依托摩方精密PμSL 3D打印系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)彎曲邊緣結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定復(fù)刻，并將該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步組裝為可執(zhí)行分流、分離和可視化讀出的多模塊微流控單元。該策略為液體的定向輸運(yùn)、快速油水分離、現(xiàn)場(chǎng)分析檢測(cè)以及可重構(gòu)微流體邏輯單元提供了一條具有可擴(kuò)展性的幾何設(shè)計(jì)路徑。