基于拱形高曲率边缘设计的微流体选择性操控研究学术报告
一、研究团队与发表信息
本研究由西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室的Hui Zhang（通讯作者）、Songjie Dai、Yang Liu（西安建筑科技大学机电工程学院）、Yijun Zhu和Guangneng Dong合作完成，成果发表于Chemical Engineering Journal期刊（2025年，卷524，文章编号168916）。
二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于微流控（microfluidics）与表面润湿性调控交叉领域，聚焦于仿生微结构表面对液体的选择性操控。
研究动机：自然界中猪笼草唇瓣（Nepenthes peristome）的拱形高曲率边缘（arch-shaped high curvature edges）能实现液体的单向铺展，但其机制尚未被定量解析。传统研究认为微腔体的锐边效应（sharp-edge effect）主导单向流动，但拱形边缘的功能意义缺乏理论解释。
研究目标：
1. 建立基于最小作用原理（least action principle）的能量模型，预测三维液滴形态与三相接触线（three-phase contact line）行为；
2. 揭示拱形边缘曲率与液体接触角（contact angle）的关联机制；
3. 设计基于拱形边缘的微流体器件，实现被动式、几何驱动的选择性流体操控。
三、研究流程与方法
1. 理论建模与仿真
- 模型构建：提出能量最小化框架，将液体在拱形边缘的铺展等效为异质润湿性表面问题，引入圆柱坐标系（α–r–h）离散化液面，计算界面能与重力势能总和。
- 数值模拟：通过迭代算法求解液滴平衡形态，提取接触线曲率。对比笛卡尔坐标系与圆柱坐标系结果验证模型鲁棒性（图2g）。
- 关键参数：分析接触角（5°~90°）、槽道深宽比等对接触线形状的影响（图2h-i）。
2. 微结构制备与表征
- 制备技术：采用投影微立体光刻（projection micro-stereolithography, PμSL）3D打印系统（BMF-P140），最小层厚5 μm，精度达微米级。
- 结构验证：通过扫描电镜（Gemini 500）和光学显微镜确认拱形边缘（如C5、C30、C60设计）的几何精度（图S9）。
3. 液体铺展实验
- 样品设计：矩形槽道两侧设置不同曲率拱形凸板（如C5-C30组合）。
- 液体体系：乙醇-去离子水混合液（ethanol-di water mixtures），通过调节浓度（0%~100%）控制接触角（5°~60°）。
- 实验方法：微注射泵以30 μL/min速率注入液体，记录突破（breakthrough）前后的液面曲率k（图3a-c）。
4. 微流体器件应用验证
- Y型分支通道：通过C5、C30、C60边缘组合实现乙醇/水混合物的路径选择（图4b-c）。
- 流体数字显示器：利用接触角差异编码数字“1”“2”“3”（图4d-f）。
- 油水分离器：集成C60边缘，5分钟内实现98%分离效率（图4g-i）。
四、主要结果与逻辑链条
1. 拱形边缘的阻力机制：
- 理论揭示接触角与边缘曲率的定量关系：低接触角液体在拱形边缘受阻更显著（图3c）。例如，C30边缘对θ=30°液体的阻力峰值（k=0.25 μm⁻¹）。
- 突破条件符合Gibbs不等式扩展形式（公式1-4），证明曲率等效于有效夹角（effective corner angle）。
双向选择性操控：
器件性能验证：
五、研究结论与价值
1. 理论贡献：首次建立拱形高曲率边缘的能量模型，填补了结构诱导润湿性（structure-induced wettability）的理论空白。
2. 技术创新：提出“几何编程”策略，通过边缘曲率设计实现被动式流体操控，为微流控系统提供无需外场调控的新方法。
3. 应用潜力：在微流控诊断、环境监测、化学分析等领域具有应用前景，如高通量液滴分选、便携式分离器件等。
六、研究亮点
1. 原创模型：基于最小作用原理的液滴形态预测框架，突破传统Young-Laplace方程的局限。
2. 仿生设计：受猪笼草启发，将拱形边缘曲率转化为流体操控的通用参数。
3. 多功能器件：单一样品验证了分选、编码、分离三类功能，展示设计普适性。
七、其他价值
- 实验数据与代码开源（Data Availability），促进领域复现与拓展。
- 提出“接触角-曲率”协同设计准则，为后续研究（如非牛顿流体操控）提供基础。
（注：文中缩写如C5指代5°接触角优化的拱形边缘，全文术语首次出现均标注英文原文。）