形狀演化微纖維軌道實(shí)現(xiàn)液滴自發(fā)定向輸運(yùn)的新機(jī)制

《Nature Communications》：Spontaneous droplet transport on shape-evolving microfiber rails

【字體： 大 中 小 】 時(shí)間：2025年12月05日 來源：Nature Communications 15.7

　　

在微流控技術(shù)和分析化學(xué)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)液滴的精準(zhǔn)操控一直是科學(xué)家們追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)基于Gibbs表面自由能最小化理論的液滴定向運(yùn)動(dòng)策略，依賴于預(yù)先設(shè)計(jì)的靜態(tài)表面梯度（如化學(xué)組成、粗糙度、剛度等梯度）。然而，這類靜態(tài)梯度表面存在固有局限：輸運(yùn)方向一旦制備即固定不變，且輸運(yùn)距離與速度相互制約，難以滿足復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)液滴操控靈活性、可重構(gòu)性的需求。能否在無固有梯度的表面上實(shí)現(xiàn)液滴的自發(fā)定向輸運(yùn)，成為領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

受多米諾骨牌效應(yīng)啟發(fā)，香港城市大學(xué)朱平安團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)司挺團(tuán)隊(duì)合作，在《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Spontaneous droplet transport on shape-evolving microfiber rails”的研究論文，提出了一種形狀演化微纖維軌道（SEMRs）的新策略。該系統(tǒng)由兩根平行的刺激響應(yīng)性微纖維構(gòu)成，初始狀態(tài)下并無預(yù)設(shè)梯度，而是通過液滴-表面相互作用觸發(fā)微纖維的形變，動(dòng)態(tài)產(chǎn)生并持續(xù)演化幾何梯度，從而驅(qū)動(dòng)液滴進(jìn)行自發(fā)、定向的輸運(yùn)。

研究人員為開展本研究，主要運(yùn)用了以下關(guān)鍵技術(shù)方法：采用液滴微流控技術(shù)精準(zhǔn)制備具有偏心分布微顆粒陣列的藻酸鹽-硅藻土復(fù)合微纖維；通過調(diào)控流場(chǎng)參數(shù)和材料組成控制微纖維的形態(tài)和吸濕變形性能；利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)微纖維結(jié)構(gòu)、表面形貌及液滴輸運(yùn)過程進(jìn)行表征；通過控制環(huán)境溫濕度研究其對(duì)微纖維變形和液滴輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)的影響；構(gòu)建了基于特征浸潤時(shí)間和變形時(shí)間的相圖來預(yù)測(cè)液滴行為（輸運(yùn)或破裂）。

設(shè)計(jì)原理

SEMR系統(tǒng)由兩根平行懸掛的微纖維組成，其設(shè)計(jì)核心在于微纖維需具備對(duì)輸運(yùn)液滴的響應(yīng)性以及宏觀或微觀尺度的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性。例如，針對(duì)水輸運(yùn)，微纖維由吸濕響應(yīng)的藻酸鹽-硅藻土外殼包裹偏心分布的微顆粒構(gòu)成。接觸液滴后，吸濕膨脹導(dǎo)致微纖維朝向微顆粒側(cè)彎曲，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)演化的幾何梯度。通過設(shè)計(jì)液滴沉積位置或表面微觀結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，可引導(dǎo)液滴沿可編程、可操控的軌跡運(yùn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

研究展示了能夠?qū)崿F(xiàn)水滴自發(fā)輸運(yùn)的吸濕響應(yīng)SEMR。微纖維的粗糙面（帶有周期性微凸起）朝內(nèi)相對(duì)放置，初始間距s₀約為600 μm。液滴（約1.8 μL）沉積后，輸運(yùn)過程分為三個(gè)階段：I）雙向鋪展；II）不對(duì)稱回縮；III）定向輸運(yùn)。在階段I，液滴快速雙向鋪展形成 elongated liquid column。階段II，吸濕變形使平行軌道轉(zhuǎn)變?yōu)榧忓N形構(gòu)型，引發(fā)液滴不對(duì)稱回縮，形成楔形。階段III，楔形構(gòu)型產(chǎn)生Laplace壓力梯度（ΔP = γ(1/R_r- 1/R_l)），驅(qū)動(dòng)液滴向窄端定向運(yùn)動(dòng)，此階段液滴特征寬度W_drop和軌道楔角α保持穩(wěn)定。

SEMR能夠?qū)崿F(xiàn)液滴抗重力輸運(yùn)，適用于不同表面張力（γ）和粘度（μ）的液滴。脫水后SEMR可恢復(fù)初始平行構(gòu)型，經(jīng)過100次水合-脫水循環(huán)后仍保持良好變形性能，且儲(chǔ)存30天后輸運(yùn)效率穩(wěn)定。

方向操控

液滴的不對(duì)稱回縮決定了其后續(xù)輸運(yùn)方向。研究表明，通過設(shè)計(jì)SEMR的宏觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或微觀結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸運(yùn)方向的精確控制。當(dāng)微纖維表面微觀結(jié)構(gòu)對(duì)稱時(shí)，液滴沉積位置ε（= L_d/L_f）決定輸運(yùn)方向：ε < 0.5時(shí)向左（負(fù)方向），ε > 0.5時(shí)向右（正方向），ε = 0.5為轉(zhuǎn)變點(diǎn)。宏觀拓?fù)洳粚?duì)稱性導(dǎo)致液滴兩側(cè)微纖維變形速度不同（U_l/U_r= [1 - L_s/(2εL_f)] / [1 - L_s/(2(1-ε)L_f)]），進(jìn)而產(chǎn)生Laplace壓力差驅(qū)動(dòng)液滴。

當(dāng)引入具有不對(duì)稱微觀結(jié)構(gòu)（如棘齒狀，傾斜角β₁= 47.3° < 90° < β₂= 110.8°）的微纖維時(shí)，微觀結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性主導(dǎo)輸運(yùn)方向，轉(zhuǎn)變點(diǎn)降至ε ≈ 0.23。接觸線在棘齒結(jié)構(gòu)上退縮時(shí)，毛細(xì)力分布不對(duì)稱（例如，在β₂側(cè)，垂直分力F_v-= γsinβ₂指向下，有助于接觸線移動(dòng)）導(dǎo)致接觸線在β₂側(cè)更快退縮，從而設(shè)定輸運(yùn)方向。

動(dòng)態(tài)梯度驅(qū)動(dòng)的液滴輸運(yùn)

SEMR的獨(dú)特之處在于其實(shí)現(xiàn)了輸運(yùn)速度與距離的獨(dú)立控制。平均輸運(yùn)速度在液滴體積固定時(shí)基本恒定，與距離無關(guān)。浸潤（Wicking）過程在維持液滴-微纖維相互作用中起關(guān)鍵作用。當(dāng)浸潤受限時(shí)，輸運(yùn)呈步進(jìn)式。液滴的最終行為（定向輸運(yùn)或破裂）取決于浸潤時(shí)間t_w~ L_c²/D（L_c為特征距離，D為水?dāng)U散系數(shù)）與變形時(shí)間t_d的競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)t_d> t_w時(shí)發(fā)生定向輸運(yùn)；反之，當(dāng)液滴寬長比C = W_drop/L_drop超過臨界值C_criti≈ 2.41時(shí)，液滴因Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性而破裂。

通過預(yù)潤滑或部分涂覆非吸濕性材料可顯著減少液滴輸運(yùn)過程中的液體損失，并實(shí)現(xiàn)納升級(jí)液滴的可靠輸運(yùn)，獲得更高的單位體積輸運(yùn)距離。

潛在應(yīng)用

SEMR在分析化學(xué)、貨物輸運(yùn)、電子電路和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。概念驗(yàn)證演示包括：液滴操控（如后方液滴加速追趕合并前方液滴，速度峰值達(dá)~21 mm s^-1），微反應(yīng)器（如觸發(fā)KCl和AgNO₃液滴化學(xué)反應(yīng)）；非互動(dòng)性材料輸運(yùn)（如水滴作為“燃料”驅(qū)動(dòng)油滴或PDMS固體球輸運(yùn)）；智能流體電子電路（通過控制水滴沉積位置選擇性點(diǎn)亮不同側(cè)的LED）；診斷應(yīng)用（如利用預(yù)負(fù)載顯色劑的SEMR檢測(cè)液滴成分，如檸檬酸引起cresol red/NaOH體系顏色從紫變黃）。

該研究成功演示了基于形狀演化微纖維軌道（SEMRs）的液滴自發(fā)定向輸運(yùn)，突破了傳統(tǒng)靜態(tài)梯度表面的固有局限。其核心創(chuàng)新在于利用液滴-表面相互作用觸發(fā)的動(dòng)態(tài)演化幾何梯度，實(shí)現(xiàn)了輸運(yùn)方向、速度、距離的按需獨(dú)立調(diào)控。SEMR系統(tǒng)兼具被動(dòng)策略的低能耗與主動(dòng)策略的靈活性，展現(xiàn)出優(yōu)異的可重構(gòu)性、耐久性和材料兼容性。通過簡(jiǎn)單的表面修飾可進(jìn)一步優(yōu)化其性能。SEMR在微反應(yīng)器、多相操控、液體邏輯電路和材料檢測(cè)等領(lǐng)域的成功應(yīng)用示例，奠定了其作為下一代智能液體操控平臺(tái)的潛力，為先進(jìn)流體技術(shù)的發(fā)展開辟了新的范式。