二極管能夠使電流沿特定方向通過。類似地，液體二極管通過結(jié)構(gòu)設計賦予液體定向輸運能力，在微流控、熱管理和智能潤滑等領域具有應用潛力。然而，現(xiàn)有液體二極管多依賴開放二維表面，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)實現(xiàn)穩(wěn)定的液體單向輸運，仍是該領域面臨的重要挑戰(zhàn)。
針對受限空間中液體定向輸運難以實現(xiàn)的問題，西安交通大學機械工程學院張輝團隊近日在《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吸液和生物纖毛定向輸運啟發(fā)，在微管內(nèi)壁構(gòu)筑傾斜及曲線微纖毛陣列，提出了一種三維毛細液體二極管，實現(xiàn)了封閉微管內(nèi)的單向毛細輸運，并進一步用于選擇性液體引導和智能潤滑（圖1）。
圖1. 三維毛細液體二極管的結(jié)構(gòu)設計、輸運機制和應用場景示意圖。
在完成三維毛細二極管的構(gòu)型設計后，研究團隊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，并進一步評估其對液體單向輸運的影響（圖2）。結(jié)果顯示，微纖毛的數(shù)量、傾斜角度和結(jié)構(gòu)間距會共同影響正反向浸潤差異。通過合理優(yōu)化這些幾何特征，液體在正向輸運時可保持連續(xù)前進，而反向輸運則被明顯抑制。此外，該結(jié)構(gòu)在不同表面張力、黏度和化學組成的液體中仍能保持方向選擇性，說明三維毛細二極管具有較好的液體適應性。
圖2. 不同幾何參數(shù)下三維毛細液體二極管的正反向浸潤行為。
在直微纖毛結(jié)構(gòu)基礎上，研究團隊進一步引入曲線微纖毛設計，用于增強液體反向輸運時的阻滯能力（圖3）。該設計通過匹配液體彎曲界面與微結(jié)構(gòu)邊界，使接觸線在反向前進過程中更容易被微纖毛邊緣釘扎。結(jié)合數(shù)值模擬與實驗驗證，優(yōu)化后的曲線微管在保持正向毛細輸運能力的同時，顯著抑制了反向浸潤，從而進一步提升了三維毛細二極管的單向輸運性能。
圖3. 曲線微纖毛結(jié)構(gòu)設計、數(shù)值模擬和優(yōu)化微管單向浸潤性能。
單向毛細輸運從單根微管走向分支網(wǎng)絡后，三維毛細二極管進一步展現(xiàn)出可編程液體調(diào)控能力。研究團隊將曲線微纖毛通道集成到分支微通道中，使液體能夠沿預設路徑前進，并在反向分支處受到釘扎抑制，實現(xiàn)選擇性引流。通過組合不同曲率的微纖毛通道，該結(jié)構(gòu)還可根據(jù)液體接觸角差異實現(xiàn)被動篩分，使不同潤濕性的液體進入不同分支。面向潤滑應用時，曲線微纖毛孔道可將內(nèi)部儲油區(qū)域中的潤滑油持續(xù)輸送至摩擦接觸區(qū)，促進穩(wěn)定油膜形成，從而降低摩擦波動并減輕磨損。相關(guān)結(jié)果表明，該三維毛細二極管在微流控分配、液體篩分和智能潤滑中具有應用潛力（圖4）。
圖4. 三維毛細液體二極管在選擇性液體引導和智能潤滑中的應用。
總結(jié)：該研究將液體二極管從開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)控毛細輸運的新方法。相關(guān)成果為受限空間液體定向輸運、微流控、液體篩分和智能潤滑結(jié)構(gòu)設計提供了新的思路。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.75947
