在微尺度下，可控液體操控技術(shù)廣泛應用于各類生命系統(tǒng)和工程領(lǐng)域。研究人員通過界面科學理論和生物學的啟發(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靜態(tài)結(jié)構(gòu)來調(diào)控液體動力學，如豬籠草上的定向液體輸運和蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的集水現(xiàn)象；第二類是通過引入動態(tài)外部場來實現(xiàn)復雜可調(diào)的液體行為，如利用電場、磁場、聲場等對液體進行主動調(diào)控。當下關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于，如何構(gòu)建一種兼具被動操作簡單性和主動調(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，香港大學機械工程系A(chǔ)lan C. H. Tsang教授團隊提出了一種簡單、可調(diào)的三維液體操控范式，通過耦合可重構(gòu)分級整流器和預編程靜態(tài)磁場，實現(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時控制需求，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備、微流體器件和自動生化平臺等應用奠定了基礎(chǔ)。

相關(guān)成果以“Reconfigurability-Encoded Hierarchical Rectifiers for Versatile 3D Liquid Manipulation"為題發(fā)表在學術(shù)期刊《Advanced Science》上，香港大學機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，香港大學為該論文的通信單位。

研究團隊設計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，團隊采用摩方精密microArch®S240（精度：10 μm）3D打印設備，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)造的預編程靜態(tài)磁場。研究團隊設計了標準化的磁場配置方案，包括準勻強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（圖2）。

整流器的微棘輪結(jié)構(gòu)通過調(diào)控液固界面能實現(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-方向液體前進線被阻斷，導致其向相反的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，研究團隊系統(tǒng)分析了不同表面張力液體在XY面的運輸行為，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的流動狀態(tài)變化（用韋伯數(shù)We來衡量）；②揭示了棘輪設計中的尺度依賴效應，即在合適尺度下整流器才可以呈現(xiàn)多模態(tài)液體操控。

引入預編程磁場后，整流器構(gòu)型設計變得豐富多樣，這使得重構(gòu)形態(tài)的整流器相比原構(gòu)型具有更靈活和復雜的液體操控能力（圖4）。研究團隊首先分析了準勻強磁場的方向和強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方向。當使用更復雜的非均勻磁場時，原構(gòu)型下的整流規(guī)則將發(fā)生變化。具體地，研究團隊展示了梯度磁場下的時空可控的直通式定向液體運輸，以及注入位置決定的單/雙向重入式液體運輸。這些結(jié)果表明，通過預編程磁場激發(fā)的重構(gòu)整流器可支持更復雜的液體調(diào)控，且這些調(diào)控基于靜態(tài)構(gòu)型，從而免去了實時外場干預帶來的復雜性，具有很大的應用潛力。

研究團隊基于所提液體操控范式進一步拓展了幾類潛在應用（圖5）：①新穎的界面毛細現(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"；③邏輯化液體運輸系統(tǒng)；④時空可控的自動化生化分析平臺。

綜上，研究團隊提出了一種結(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)設計和外部驅(qū)動磁場，實現(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能力和廣泛適用性，以及磁場干預方案的簡單性和可擴展性。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、即時診斷設備等應用中具有巨大潛力。從更廣泛的角度來看，擬議的液體操控范式也可以擴展到各種外場和表面結(jié)構(gòu)的耦合方法之中，并在復雜的多相界面操作中發(fā)揮作用。這些進展為創(chuàng)新液體操控器件的設計和開發(fā)提供了新的理論基礎(chǔ)和實踐范式。