液体定向输送技术在微流控系统、雾水收集装置、喷墨印刷工艺、界面催化反应以及生物医学工程等领域具有应用。目前，实现高效液体定向输送的主动方法依赖于外部能量场（如温度场、光场、磁场或电场）的驱动作用，通过打破液滴润湿的对称性来调控液滴运动。然而，这类方法存在明显的局限性：不仅能耗较高，而且可操控液体体积小，往往需要向液体或基底加入响应性材料。另一方面，生物体通过亿万年进化出精妙的功能化表面，具有特定的化学组成或微观结构，能够在不依赖外部能量输入的情况下实现液体的自发定向运输。例如，南洋杉叶片的三维棘轮结构由横向与纵向凹曲率共同构成，三相线的不对称钉扎实现了不同表面张力液体的选择性定向传输。
近期，受南洋杉叶片结构启发，武汉大学薛龙建教授、赵焱教授与香港理工大学王钻开教授团队合作，在《Science Advances》期刊上发表了一项突破性研究，题为“Topological elastic liquid diode”。该研究构建的拓扑弹性液体二极管（TELD）不仅能够实现液体的单向长程输运，还可对流动路径进行原位动态调控。TELD的创新之处在于利用正交方向力的竞争，实现对液体流向的精准按需操控，且可通过两种独立模式实现：一是在弹性基底层中施加机械应变，二是调节液体的注入速率。此外，TELD在电路的逻辑门控、微化学反应器及雾水收集等实际场景中展现出卓越的应用潜力。
作者结合聚二甲基硅氧烷（PDMS）和棘轮阵列结构设计了弹性液体二极管（图1）。在模板制备上，与传统的制备手段相比，3D打印技术具有高精度制造、复杂三维构型自由成型、可高度定制化能力，满足仿南洋杉叶片三维双曲率结构的制备要求。作者通过摩方精密microArch® S230（精度：2 μm）3D打印系统制备了仿南洋杉叶片棘轮阵列硬模板，结合软印刷技术与基底预拉伸制备了TELD。调控TELD基底层的应变（模式1）或液体注射速度（模式2）实现了液体流动方向的可逆操纵，为微流控系统提供了一种动态控制新策略。
图1. TELD的设计、概念及液体操控模式。
模式1：通过机械应变调节正交方向阻力的竞争关系，实现液体输运方向的精确控制与启停（图2）。在未拉伸状态下（k = 1.6），液体因侧向阻力较大而沿正向（Df）运输；当施加超过27%临界应变时，棘轮结构间距重构使侧向阻力（Dl）减小，实现液体转向。研究创新性提出“应力阀”概念：拉伸30%应变可即时暂停液流达2分钟以上，释放应力后流动立即恢复，无需传统阀门结构。通过设计梯度k值，液体可在TELD表面实现90°转向后继续前行。
图2. 模式1的调控机制与路径调控。
该团队进一步提出基于流速调控的微流体路径动态切换技术（模式2，图3）。通过精准控制液体注射速率，在螺旋TELD表面实现了流动轨迹的即时重构。当乙醇以1 μL/s恒速注入时，液流沿既定棘轮列稳定前行；将注射速度突增至2 μL/s时，液流产生横向转向，自动切换至相邻棘轮列继续传输。通过阶梯式提升流速（1→2→4→6 μL/s），可诱导液流完成三次连续路径偏移，形成可控的“多级变轨”运输。该路径控制机理在于：流速突变导致液体积聚，其重力分量在螺旋结构中被分解为侧向驱动力与正向驱动力。当侧向力超越临界阻力时，即触发路径切换。这种创新方法将流体惯性效应与结构几何参数（Φ）巧妙耦合。相比传统微阀技术，TELD具有无需物理阀门、能耗低、响应速度快等优势。
图3. 模式2的调控机制与路径调控。
作者将TELD用于逻辑电路门控、微化学反应控制和雾水收集（图4）。在逻辑电路门控上，将TELD连接于电路系统，通过机械应变精确控制液流路径：未拉伸时导通绿色LED（两列通道）；20%应变触发黄色LED（四列通道）；40%应变点亮红色LED（六列通道），实现了应力-光信号的直接转换。在化学反应控制方面，TELD展现出卓越的时空调控能力。盐酸-氢氧化钠中和实验表明，通过25%应变调节可使三个检测位点的反应同步启动，并在1.92秒内完成，较未拉伸状态提升显著。在雾水收集方面，基于流速调控原理设计的螺旋形TELD在85%湿度环境下集水效率远超平面结构，这得益于其独特的分段液流形成机制和前端质量触发的路径自调节功能。
图4. TELD对液体流动方向调控的应用。
总结：受南洋杉叶片独特三维棘轮结构的启发，研究团队创新性地采用摩方面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术结合模板法，成功研发了具有仿生棘轮阵列的拓扑弹性液体二极管（TELD）。该器件展现出卓越的液体定向操控能力，可通过应变调控和液体注射速度两种独立模式精准调控乙醇流动路径。该TELD平台集多功能于一体，既可充当流体逻辑门和应力阀，又能作为微流控反应器和高效雾水收集装置。这项研究不仅为亲液表面的液体操控提供了新策略，更为柔性电子、芯片实验室和生物医学工程等领域的发展开辟了新途径。
原文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adt9526
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