西(xi)安交(jiao)大(da)張(zhang)輝(hui)副(fu)教(jiao)授(shou)團(tuan)隊《CEJ》：揭(jie)秘(mi)弓形(xing)邊(bian)緣如何(he)實現(xian)液體(ti)“智(zhi)能(neng)”擇(ze)向

液體(ti)在(zai)固體微(wei)結(jie)構(gou)表(biao)面(mian)上的定(ding)向鋪(pu)展(zhan)、分流與(yu)分離(li)，是潤(run)濕科(ke)學和(he)微(wei)流控(kong)系(xi)統(tong)的重(zhong)要科(ke)學(xue)與(yu)工程問(wen)題，直(zhi)接(jie)關(guan)系(xi)到(dao)無(wu)外(wai)場(chang)驅(qu)動液體(ti)輸(shu)運、油(you)水高(gao)效(xiao)分離(li)、現場(chang)化學(xue)分析以(yi)及智(zhi)能(neng)潤(run)滑與(yu)冷(leng)卻(que)等(deng)應(ying)用(yong)。傳(chuan)統(tong)的理(li)論解釋(shi)通常將液體(ti)的單向(xiang)鋪展(zhan)歸因(yin)於(yu)尖銳(rui)臺(tai)階對三(san)相(xiang)接(jie)觸(chu)線(xian)的(de)釘紮效應(ying)。然而(er)，對於(yu)自(zi)然界(jie)常見的高(gao)曲(qu)率弓形(xing)邊(bian)緣（如豬(zhu)籠(long)草口(kou)緣），學界(jie)仍缺(que)乏統(tong)壹(yi)、可(ke)預(yu)測(ce)的理(li)論，來描述(shu)其(qi)在(zai)不同(tong)潤(run)濕條(tiao)件下(xia)如(ru)何(he)阻滯(zhi)鋪展並誘導液體(ti)選(xuan)擇(ze)方(fang)向。這也(ye)限制(zhi)了此(ci)類幾何(he)單元(yuan)向標(biao)準化微(wei)流控(kong)組(zu)件的(de)工(gong)程化(hua)轉化(hua)。

針(zhen)對上述(shu)問(wen)題，西(xi)安交(jiao)通(tong)大(da)學(xue)機(ji)械工(gong)程學(xue)院張(zhang)輝(hui)副(fu)教(jiao)授(shou)團(tuan)隊近日(ri)在(zai)《Chemical Engineering Journal》發表(biao)研究論文“Arch shaped high curvature edge design for selective microfluidics"。該(gai)研究提(ti)出了(le)基於(yu)最(zui)小(xiao)作(zuo)用(yong)原(yuan)理(li)的高(gao)曲(qu)率弓形(xing)邊(bian)緣設計框架，利(li)用(yong)能(neng)量(liang)最小(xiao)化與三(san)維(wei)界(jie)面(mian)形(xing)貌(mao)預(yu)測(ce)，給出了(le)弓形(xing)高(gao)曲(qu)率邊(bian)緣在(zai)不同(tong)接(jie)觸(chu)角條(tiao)件下(xia)對液體(ti)鋪展產(chan)生(sheng)最(zui)大(da)阻礙(ai)的判據，並據此(ci)實現(xian)了(le)基於(yu)接(jie)觸(chu)角差(cha)異的(de)選(xuan)擇(ze)性分流、篩選(xuan)與分離(li)。

圖1概(gai)述(shu)了(le)弓形(xing)高(gao)曲(qu)率邊(bian)緣的基(ji)本作(zuo)用(yong)機(ji)理。團(tuan)隊以(yi)豬(zhu)籠(long)草口(kou)緣為(wei)靈感(gan)，比較(jiao)液體(ti)沿弓形(xing)高(gao)曲(qu)率邊(bian)緣正(zheng)向、反向(xiang)鋪展(zhan)的差(cha)異。研究表(biao)明，當(dang)液體(ti)試(shi)圖(tu)跨(kua)越(yue)弓形(xing)高(gao)曲(qu)率邊(bian)緣向外(wai)擴(kuo)展(zhan)時，三(san)相(xiang)接(jie)觸(chu)線(xian)在(zai)該高(gao)曲(qu)率區域受到顯(xian)著釘(ding)紮(zha)，形(xing)成明顯(xian)的阻礙(ai)屏障；相(xiang)比之(zhi)下(xia)，液體(ti)沿相(xiang)反方(fang)向運(yun)動時阻力(li)顯(xian)著降低。研究團(tuan)隊將局(ju)部(bu)高(gao)曲(qu)率視作(zuo)可(ke)量(liang)化的(de)“邊(bian)緣幾何(he)勢(shi)壘(lei)"，並(bing)將這壹(yi)勢壘(lei)與(yu)經(jing)典(dian)Gibbs判(pan)據建立了對應(ying)關(guan)系，從而使“邊(bian)緣如何(he)攔(lan)截(jie)液體(ti)"可(ke)以(yi)被(bei)定(ding)量(liang)描述(shu)。

圖2給出了(le)理論建模結(jie)果。團(tuan)隊基於(yu)最小(xiao)作(zuo)用(yong)原(yuan)理(li)，將液體(ti)自(zi)由(you)界面(mian)的(de)三維(wei)形貌(mao)、表(biao)面(mian)能(neng)與重(zhong)力(li)勢能(neng)統(tong)壹(yi)到同(tong)壹(yi)能量(liang)框架(jia)，通(tong)過能量(liang)極小(xiao)值(zhi)求解(jie)預(yu)測(ce)彎曲(qu)邊(bian)緣附近三(san)相(xiang)接(jie)觸(chu)線(xian)的(de)穩(wen)定(ding)形態(tai)。模型(xing)結(jie)果表(biao)明接(jie)觸(chu)角是(shi)主(zhu)要控(kong)制(zhi)量(liang)，幾何(he)參(can)數(shu)（如(ru)流道(dao)深寬比和(he)尺寸大(da)小(xiao)）會(hui)調(tiao)節界面(mian)形(xing)貌(mao)並(bing)影響鋪展阻礙(ai)強度。該(gai)分析為(wei)在(zai)特定(ding)潤(run)濕性(xing)下選(xuan)取有(you)效(xiao)的弓形(xing)曲(qu)率、從而獲(huo)得最大(da)鋪(pu)展阻力(li)，提供(gong)了明確(que)的(de)設(she)計準則。

在(zai)實驗(yan)部(bu)分，研究團(tuan)隊依托(tuo)摩(mo)方(fang)精密(mi)的面(mian)投影微(wei)立體光刻（PμSL）3D打(da)印系統(tong)（nanoArch® P150，精度(du)：25 μm）批(pi)量(liang)制備(bei)了(le)具有(you)雙(shuang)側(ce)弓形(xing)邊(bian)緣的微(wei)流道(dao)結(jie)構(gou)，並在(zai)微(wei)米(mi)尺度上穩(wen)定(ding)復(fu)現(xian)目(mu)標(biao)曲(qu)率特征。隨(sui)後(hou)向微(wei)流道(dao)中註入(ru)不同(tong)乙醇/水(shui)配(pei)比的流體(ti)，通(tong)過改變潤(run)濕性(xing)（接(jie)觸(chu)角）對流體(ti)鋪(pu)展行(xing)為(wei)進行調控(kong)。結(jie)果顯(xian)示(shi)，液體(ti)在(zai)兩側(ce)通(tong)道(dao)之(zhi)間(jian)表(biao)現(xian)出明確(que)的(de)定(ding)向鋪(pu)展(zhan)選(xuan)擇(ze)，且(qie)該(gai)選(xuan)擇(ze)性會(hui)在(zai)特定(ding)接(jie)觸(chu)角區間(jian)發生(sheng)反轉(zhuan)（圖3）。這壹(yi)現象表(biao)明，高(gao)曲(qu)率弓形(xing)邊(bian)緣可(ke)作(zuo)為(wei)可(ke)調(tiao)的幾何(he)閾值(zhi)，實現(xian)無(wu)需外(wai)加場(chang)的潤(run)濕性(xing)判別(bie)式導流。

在(zai)上述(shu)原(yuan)理(li)的基(ji)礎(chu)上，依托(tuo)摩(mo)方(fang)精密(mi)PμSL3D打(da)印系統(tong)制備(bei)的弓形(xing)高(gao)曲(qu)率邊(bian)緣結(jie)構(gou)，研究團(tuan)隊進壹(yi)步將同(tong)壹(yi)設計思(si)路延(yan)伸(shen)至器件級(ji)集(ji)成，構(gou)建了(le)三類功(gong)能化(hua)微(wei)流控(kong)模塊（圖(tu)4）。具(ju)體包(bao)括(kuo)能夠(gou)基於接(jie)觸(chu)角差(cha)異實現(xian)液體(ti)在(zai)三條(tiao)支(zhi)路間(jian)選(xuan)擇(ze)性分流的(de)Y型(xing)分支通(tong)道，可(ke)通(tong)過不同(tong)潤(run)濕性(xing)的流體(ti)在(zai)預(yu)設(she)槽位(wei)中的走(zou)向(xiang)形成可(ke)讀輸(shu)出的(de)流體(ti)數(shu)字顯(xian)示(shi)結(jie)構(gou)，以(yi)及依(yi)靠(kao)曲(qu)率設定(ding)的潤(run)濕閾值(zhi)實現(xian)油(you)水高(gao)效(xiao)分離(li)的分離(li)模塊。結(jie)果表(biao)明，高(gao)曲(qu)率弓形(xing)邊(bian)緣可(ke)以(yi)作(zuo)為(wei)可(ke)制(zhi)造、可(ke)復(fu)用(yong)的(de)幾何(he)單元(yuan)，用(yong)於(yu)實現(xian)分流、識別(bie)和(he)分離(li)等(deng)核心操作(zuo)，為(wei)微(wei)流控(kong)體(ti)系(xi)的(de)定(ding)向輸(shu)運、分區調控(kong)與(yu)模塊化(hua)集(ji)成提(ti)供(gong)了可(ke)推(tui)廣的結(jie)構(gou)策略。

總體而(er)言(yan)，該工(gong)作(zuo)將自(zi)然界(jie)的(de)弓形(xing)高(gao)曲(qu)率邊(bian)緣由(you)經驗(yan)現(xian)象(xiang)提升為(wei)可(ke)計算、可(ke)制(zhi)造、可(ke)集(ji)成的功(gong)能單元(yuan)。在(zai)理論層面(mian)，研究建(jian)立了基於最(zui)小(xiao)作(zuo)用(yong)原(yuan)理(li)的設(she)計準則，明確(que)了(le)在(zai)不同(tong)接(jie)觸(chu)角條(tiao)件下(xia)應(ying)如(ru)何(he)選(xuan)取曲(qu)率、深寬比與尺寸大(da)小(xiao)以(yi)獲(huo)得更強(qiang)的(de)鋪(pu)展(zhan)阻礙(ai)和(he)清晰(xi)的分流閾值(zhi)。在(zai)實驗(yan)層面(mian)，依(yi)托摩(mo)方(fang)精密(mi)PμSL 3D打(da)印系統(tong)實現(xian)了(le)微(wei)米(mi)級(ji)彎(wan)曲(qu)邊(bian)緣結(jie)構(gou)的穩(wen)定(ding)復(fu)刻(ke)，並(bing)將該結(jie)構(gou)進壹(yi)步組裝為(wei)可(ke)執(zhi)行分流、分離(li)和(he)可(ke)視化讀出的(de)多(duo)模塊微(wei)流控(kong)單元(yuan)。該策(ce)略為(wei)液體(ti)的定(ding)向輸(shu)運、快速(su)油(you)水分離(li)、現場(chang)分析檢測(ce)以(yi)及可(ke)重(zhong)構(gou)微(wei)流體(ti)邏(luo)輯單元(yuan)提供(gong)了(le)壹(yi)條具有(you)可(ke)擴(kuo)展(zhan)性的幾何(he)設(she)計路徑。