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拓扑弹性液体二极管（TELD）的研发及其液体流动调控研究

1. 研究团队及发表信息

本研究由Yurong Zhang、Lijun Li、Gang Li等共同完成，主要作者来自武汉大学（Wuhan University）技术与科学研究院、香港理工大学（Hong Kong Polytechnic University）机械工程系等单位。研究成果于2025年4月4日发表在Science Advances期刊（卷11，文章编号eadt9526）。

2. 研究背景与目标

科学领域：本研究属于材料科学与微流控技术交叉领域，聚焦液体定向输运及其原位调控。

研究动机：在微流控、生物医学工程等领域，液体的按需定向输运是关键技术需求。然而，传统方法在亲液表面（lyophilic surface）上调控液体流动方向仍面临两大挑战：
- 被动策略（如化学或形貌梯度表面）无法实时调控流体路径；
- 主动策略（如光、热、磁场驱动）通常仅适用于疏液表面（lyophobic surface），且存在液滴体积限制、蒸发速率快等问题。

研究目标：提出一种拓扑弹性液体二极管（Topological Elastic Liquid Diode, TELD），通过结合仿生结构设计与弹性材料，实现亲液表面上液体流动方向的原位、实时调控，并探索其多功能应用。

3. 研究流程与方法

3.1 TELD的设计与制备

仿生灵感：受南洋杉叶（Araucaria leaf）的棘齿阵列（ratchet array）结构启发，TELD由聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性基底与三维棘齿结构组成。

制备流程：
1. 模板制作：通过3D打印技术制备仿生棘齿阵列模板；
2. 负模复制：将PDMS前驱体浇注至模板上，固化后得到柔性负模；
3. TELD成型：将预拉伸的PDMS薄膜覆盖于负模（填充PDMS前驱体），经固化、脱模后获得TELD（图1b）。
4. 结构参数调控：通过改变预拉伸率（ε）和结构系数（k = (w + sl)/(t + sf)）调节棘齿间距，其中w为棘齿宽度，t为厚度，sf/sl分别为沿流动方向（df）和横向（dl）的间距。

关键创新：
- 弹性基底：PDMS的弹性模量（1.18 MPa）支持动态形变，实现液体路径的可逆切换；
- 自支撑结构：无需外部能量输入，仅通过机械应变或液体流速调控即可改变流动方向。

3.2 液体流动调控机制

研究通过两种模式调控液体（以乙醇为模型）流动：
- 模式1（机械应变调控）：通过拉伸基底改变棘齿间距，调节液体前沿的竞争力（图2）：
- 未拉伸时（ε = 0%）：液体沿棘齿倾斜方向（df）单向流动（lf/ll ≈ 9.7）；
- 拉伸后（ε > 27%）：液体转向横向（dl），因横向阻力（pl,ε）降低而正向阻力（pf,ε）升高。
- 模式2（流速调控）：在螺旋排列的TELD上，突然增加流速（如从1 μL/s增至5 μL/s）可通过液滴积累产生的附加力（Δg）触发路径跳转（图3）。

实验验证：
- X射线显微镜实时捕捉液体界面形貌；
- 接触角测量仪量化乙醇在PDMS上的润湿性（静态接触角θ = 30.7°±1.2°）；
- 高速摄像记录流动动力学过程（支持数据见Supplementary Movies S1-S11）。

4. 主要研究结果

4.1 流动方向的动态切换

• 应变调控：拉伸TELD（k=1.6）至ε=50%时，乙醇流动方向从df转为dl，释放应变后恢复原路径（图2g）；
  
• 流速调控：螺旋TELD中，流速突增可使路径横向跳转至相邻棘齿列（图3c），且跳转幅度与螺旋倾角（φ）相关。
  

4.2 多功能应用验证

• 逻辑门：通过应变控制导电液体连接不同电路，点亮特定LED（图4a）；
  
• 微流控反应器：盐酸与氢氧化钠在中性化反应中，TELD可加速并均质化反应进程（反应时间缩短至1.92秒，图4c）；
  
• 雾气收集：螺旋TELD因路径跳转机制，集水效率比平面结构提高40%（图4e）。
  

4.3 理论机制

液体流动方向由拉普拉斯压力（Laplace pressure）与毛细力（capillary force）的竞争决定：
- 未拉伸时，正向拉普拉斯压力（pf,0）远小于横向（pl,0），液体优先沿df流动；
- 拉伸后，pl,ε显著降低，而pf,ε升高，驱动横向流动。

5. 研究结论与价值

科学价值：
1. 首次在亲液表面实现液体流动方向的原位动态调控，突破了传统方法对疏液表面的依赖；
2. 提出“应力阀”（stress valve）概念，无需物理阀门即可通过机械应变中断或恢复流动（图2i）。

应用潜力：
- 柔性电子：液体电路的动态重构；
- 生物医学：微流控芯片中的按需反应控制；
- 水收集：高效雾气收集装置设计。

6. 研究亮点

1. 仿生与弹性材料的协同设计：结合南洋杉叶棘齿结构与PDMS弹性，实现双向可调液体输运；
   
2. 双模式调控机制：机械应变与流速调控互为补充，适用不同场景需求；
   
3. 多功能集成：单一器件可充当逻辑门、反应器、集水器等，扩展性强。
   

7. 其他重要内容

• 温度稳定性：TELD在-50°C至60°C范围内均可工作（图S15）；
  
• 材料普适性：通过调控PDMS弹性模量梯度，可实现复杂流动编程（图S11）。
  

（注：全文基于原文内容提炼，专业术语如“lyophilic surface”“Laplace pressure”等在首次出现时标注英文，后续使用中文表述。）