在微尺度下，可控液體操控技術廣泛應用于各類生命系統和工程領域。研究人員通過界面科學理論和生物學的啟發，利用精密加工和開發智能材料，在近二十年間提出了一系列的液體操控技術，滿足了微流控、生化分析等領域對精密穩定的液體操作需求。當前的技術思路主要分為兩類：第一類是利用無需能量輸入的被動靜態結構來調控液體動力學，如豬籠草上的定向液體輸運和蛛網結構的集水現象；第二類是通過引入動態外部場來實現復雜可調的液體行為，如利用電場、磁場、聲場等對液體進行主動調控。當下關鍵挑戰在于，如何構建一種兼具被動操作簡單性和主動調控靈活性的新型液體操控范式，這是未來液體操控技術邁向實用化的重要一步。
近日，香港大學機械工程系Alan C. H. Tsang教授團隊提出了一種簡單、可調的三維液體操控范式，通過耦合可重構分級整流器和預編程靜態磁場，實現了固液界面能的靈活調控。這種新范式支持基于簡化系統的多模態、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，還顯著增加了結構化界面對液體操控的可能性（圖1），從而打破了傳統液體操控的局限性，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。
相關成果以“Reconfigurability-Encoded Hierarchical Rectifiers for Versatile 3D Liquid Manipulation"為題發表在學術期刊《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液體整流器。微棘輪結構具有微米尺度的多級結構特征，包括底部曲率和異質傾斜錐體。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，并結合翻模技術制備了樣品。圖2示意了這一加工過程，并提供了對整流器結構和材料的詳細表征。新型液體操控范式的另一核心元素是由外部小型N52硬磁體陣列構造的預編程靜態磁場。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，并系統性研究了不同磁場條件下整流器的構型變化，以提供通用化的指導（圖2）。
整流器的微棘輪結構通過調控液固界面能實現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）；由于受到頂部異質結構的影響，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變化（用韋伯數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多模態液體操控。
引入預編程磁場后，整流器構型設計變得豐富多樣，這使得重構形態的整流器相比原構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控，包括改善液體整流效果和調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，原構型下的整流規則將發生變化。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。這些結果表明，通過預編程磁場激發的重構整流器可支持更復雜的液體調控，且這些調控基于靜態構型，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；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合多模態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構設計和外部驅動磁場，實現了界面能的按需調節，以豐富液體的三維操控。其優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。這類可重構系統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構的耦合方法之中，并在復雜的多相界面操作中發揮作用。這些進展為創新液體操控器件的設計和開發提供了新的理論基礎和實踐范式。
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