二極管能夠使電流沿特定方向通過(guò)。類(lèi)似地，液體二極管通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予液體定向輸運(yùn)能力，在微流控、熱管理和智能潤(rùn)滑等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。然而，現(xiàn)有液體二極管多依賴(lài)開(kāi)放二維表面，難以適用于微管道和內(nèi)部孔道等受限空間。如何在封閉通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的液體單向輸運(yùn)，仍是該領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)。
針對(duì)受限空間中液體定向輸運(yùn)難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院張輝團(tuán)隊(duì)近日在《Advanced Functional Materials》發(fā)表題為“3D Capillary Liquid Diode for Selective Liquid Steering and Smart Lubrication”的研究論文。該研究受多孔材料毛細(xì)吸液和生物纖毛定向輸運(yùn)啟發(fā)，在微管內(nèi)壁構(gòu)筑傾斜及曲線(xiàn)微纖毛陣列，提出了一種三維毛細(xì)液體二極管，實(shí)現(xiàn)了封閉微管內(nèi)的單向毛細(xì)輸運(yùn)，并進(jìn)一步用于選擇性液體引導(dǎo)和智能潤(rùn)滑（圖1）。
圖1. 三維毛細(xì)液體二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輸運(yùn)機(jī)制和應(yīng)用場(chǎng)景示意圖。
在完成三維毛細(xì)二極管的構(gòu)型設(shè)計(jì)后，研究團(tuán)隊(duì)依托摩方精密的面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù) （microArch? S240，精度：10 μm），制備了具有不同微纖毛排布方式的微管樣件，并進(jìn)一步評(píng)估其對(duì)液體單向輸運(yùn)的影響（圖2）。結(jié)果顯示，微纖毛的數(shù)量、傾斜角度和結(jié)構(gòu)間距會(huì)共同影響正反向浸潤(rùn)差異。通過(guò)合理優(yōu)化這些幾何特征，液體在正向輸運(yùn)時(shí)可保持連續(xù)前進(jìn)，而反向輸運(yùn)則被明顯抑制。此外，該結(jié)構(gòu)在不同表面張力、黏度和化學(xué)組成的液體中仍能保持方向選擇性，說(shuō)明三維毛細(xì)二極管具有較好的液體適應(yīng)性。
圖2. 不同幾何參數(shù)下三維毛細(xì)液體二極管的正反向浸潤(rùn)行為。
在直微纖毛結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步引入曲線(xiàn)微纖毛設(shè)計(jì)，用于增強(qiáng)液體反向輸運(yùn)時(shí)的阻滯能力（圖3）。該設(shè)計(jì)通過(guò)匹配液體彎曲界面與微結(jié)構(gòu)邊界，使接觸線(xiàn)在反向前進(jìn)過(guò)程中更容易被微纖毛邊緣釘扎。結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化后的曲線(xiàn)微管在保持正向毛細(xì)輸運(yùn)能力的同時(shí)，顯著抑制了反向浸潤(rùn)，從而進(jìn)一步提升了三維毛細(xì)二極管的單向輸運(yùn)性能。
圖3. 曲線(xiàn)微纖毛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬和優(yōu)化微管單向浸潤(rùn)性能。
單向毛細(xì)輸運(yùn)從單根微管走向分支網(wǎng)絡(luò)后，三維毛細(xì)二極管進(jìn)一步展現(xiàn)出可編程液體調(diào)控能力。研究團(tuán)隊(duì)將曲線(xiàn)微纖毛通道集成到分支微通道中，使液體能夠沿預(yù)設(shè)路徑前進(jìn)，并在反向分支處受到釘扎抑制，實(shí)現(xiàn)選擇性引流。通過(guò)組合不同曲率的微纖毛通道，該結(jié)構(gòu)還可根據(jù)液體接觸角差異實(shí)現(xiàn)被動(dòng)篩分，使不同潤(rùn)濕性的液體進(jìn)入不同分支。面向潤(rùn)滑應(yīng)用時(shí)，曲線(xiàn)微纖毛孔道可將內(nèi)部?jī)?chǔ)油區(qū)域中的潤(rùn)滑油持續(xù)輸送至摩擦接觸區(qū)，促進(jìn)穩(wěn)定油膜形成，從而降低摩擦波動(dòng)并減輕磨損。相關(guān)結(jié)果表明，該三維毛細(xì)二極管在微流控分配、液體篩分和智能潤(rùn)滑中具有應(yīng)用潛力（圖4）。
圖4. 三維毛細(xì)液體二極管在選擇性液體引導(dǎo)和智能潤(rùn)滑中的應(yīng)用。
總結(jié)：該研究將液體二極管從開(kāi)放二維表面拓展到封閉三維微管內(nèi)部，提出了基于微纖毛結(jié)構(gòu)調(diào)控毛細(xì)輸運(yùn)的新方法。相關(guān)成果為受限空間液體定向輸運(yùn)、微流控、液體篩分和智能潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的思路。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.75947
