拓扑弹性液体二极管（TELD）的研发及其在液体定向传输中的应用

作者及发表信息
本研究由武汉大学动力与机械工程学院技术科学研究所的Yurong Zhang、Lijun Li、Gang Li等团队主导，香港理工大学的Zuankai Wang等合作完成，于2025年4月4日发表在*Science Advances*期刊（卷11，文章编号eadt9526）。

学术背景
液体定向传输在微流控、生物医学工程、雾水收集等领域具有重要应用价值。然而，传统方法（如化学梯度或外部刺激调控）存在实时调控困难、仅适用于疏液表面等问题。受Araucaria叶片的3D棘齿结构启发，本研究提出了一种拓扑弹性液体二极管（Topological Elastic Liquid Diode, TELD），通过结合仿生棘齿阵列和硅橡胶的弹性，实现了亲液表面上液体流动方向的实时原位调控。

研究流程
1. 设计与制备
- 仿生结构设计：基于Araucaria叶片的棘齿阵列，通过3D打印技术制作模板，并利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）翻模工艺制备柔性负模。
- TELD制备：将预拉伸的PDMS薄膜覆盖于PDMS前驱体填充的负模上，固化后释放应变，形成具有特定结构参数（如棘齿倾角α=40°、宽度w=650 μm）的TELD。
- 结构调控：通过调整预拉伸率（ε）和结构系数（k= (w+sl)/(t+sf)）调控液体流动方向。

1. 功能验证

   • 模式1调控（应变调控）：通过机械拉伸TELD基底（ε=0%~50%），改变棘齿间距，从而调节液体前沿的正交方向受力竞争。例如，当ε>27%时，乙醇流动方向从棘齿倾斜方向（df）转为横向（dl）。
     
   • 模式2调控（流速调控）：在螺旋形TELD上，通过突然增加注入速率（如从1 μL/s增至5 μL/s），液体路径发生横向跳转。
     

2. 机制分析

   • 毛细力与拉普拉斯压力竞争：液体流动方向由正向（df）和横向（dl）的拉普拉斯压力（pf与pl）竞争决定。拉伸TELD会增大df方向的阻力，降低dl方向的阻力。
     
   • 动态调控验证：通过循环拉伸-释放实验，实现了流动方向的可逆切换（如视频S6所示）。
     

3. 应用展示

   • 逻辑门：通过导电液体在TELD上的路径选择，控制不同LED的亮灭，实现应力水平可视化。
     
   • 微流控反应器：将盐酸乙醇溶液定向输送至氢氧化钠液滴，实现快速中和反应（反应时间缩短至1.92秒）。
     
   • 雾水收集：螺旋形TELD通过液滴合并与路径跳转，比平面TELD提高集水效率。
     

主要结果
1. 方向可控性：在k=1.6的TELD上，乙醇的df方向传输速度达0.96±0.05 mm/s，lf/ll比值最高为9.7（25秒内）。
2. 应力阀效应：通过应变调控可即时启停液体流动（如视频S8），实现无物理阀的流量控制。
3. 多功能集成：TELD兼具逻辑运算、化学反应加速和集水功能，展现了其在柔性电子和芯片实验室中的潜力。

结论与价值
本研究通过仿生设计与弹性材料结合，首次实现了亲液表面液体流动的实时原位调控，解决了传统方法依赖疏液表面或外部刺激的局限。TELD的创新性在于：
1. 科学价值：揭示了正交方向受力竞争调控液体流动的机制，为微流控设计提供了新范式。
2. 应用价值：在生物医学（如药物递送）、环境工程（如高效集水）和软体机器人等领域具有广阔前景。

研究亮点
1. 仿生与材料创新：结合Araucaria叶片棘齿结构与PDMS弹性，实现了结构参数的可编程调控。
2. 双模式调控：通过应变或流速单一变量即可实现复杂路径控制。
3. 多功能集成：单一器件可同时作为逻辑门、反应器和集水装置，突破了传统微流控器件的功能限制。

其他价值
研究还发现，TELD的调控能力受液体粘度、表面张力和温度影响较小（如补充图S12-S15），进一步证明了其环境适应性。专利CN202310380250.1已覆盖该技术的核心设计。