液體在固體微結(jié)構(gòu)表面上的定向鋪展、分流與分離，是潤濕科學(xué)和微流控系統(tǒng)的重要科學(xué)與工程問題，直接關(guān)系到無外場驅(qū)動液體輸運、油水高效分離、現(xiàn)場化學(xué)分析以及智能潤滑與冷卻等應(yīng)用。傳統(tǒng)的理論解釋通常將液體的單向鋪展歸因于尖銳臺階對三相接觸線的釘扎效應(yīng)。然而，對于自然界常見的高曲率弓形邊緣（如豬籠草口緣），學(xué)界仍缺乏統(tǒng)一、可預(yù)測的理論，來描述其在不同潤濕條件下如何阻滯鋪展并誘導(dǎo)液體選擇方向。這也限制了此類幾何單元向標(biāo)準(zhǔn)化微流控組件的工程化轉(zhuǎn)化。

針對上述問題，西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院張輝副教授團隊近日在《Chemical Engineering Journal》發(fā)表研究論文“Arch shaped high curvature edge design for selective microfluidics"。該研究提出了基于最小作用原理的高曲率弓形邊緣設(shè)計框架，利用能量最小化與三維界面形貌預(yù)測，給出了弓形高曲率邊緣在不同接觸角條件下對液體鋪展產(chǎn)生最大阻礙的判據(jù)，并據(jù)此實現(xiàn)了基于接觸角差異的選擇性分流、篩選與分離。

圖1概述了弓形高曲率邊緣的基本作用機理。團隊以豬籠草口緣為靈感，比較液體沿弓形高曲率邊緣正向、反向鋪展的差異。研究表明，當(dāng)液體試圖跨越弓形高曲率邊緣向外擴展時，三相接觸線在該高曲率區(qū)域受到顯著釘扎，形成明顯的阻礙屏障；相比之下，液體沿相反方向運動時阻力顯著降低。研究團隊將局部高曲率視作可量化的“邊緣幾何勢壘"，并將這一勢壘與經(jīng)典Gibbs判據(jù)建立了對應(yīng)關(guān)系，從而使“邊緣如何攔截液體"可以被定量描述。

圖2給出了理論建模結(jié)果。團隊基于最小作用原理，將液體自由界面的三維形貌、表面能與重力勢能統(tǒng)一到同一能量框架，通過能量極小值求解預(yù)測彎曲邊緣附近三相接觸線的穩(wěn)定形態(tài)。模型結(jié)果表明接觸角是主要控制量，幾何參數(shù)（如流道深寬比和尺寸大?。{(diào)節(jié)界面形貌并影響鋪展阻礙強度。該分析為在特定潤濕性下選取有效的弓形曲率、從而獲得最大鋪展阻力，提供了明確的設(shè)計準(zhǔn)則。

在實驗部分，研究團隊依托摩方精密的面投影微立體光刻（PμSL）3D打印系統(tǒng)（nanoArch® P150，精度：25 μm）批量制備了具有雙側(cè)弓形邊緣的微流道結(jié)構(gòu)，并在微米尺度上穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)目標(biāo)曲率特征。隨后向微流道中注入不同乙醇/水配比的流體，通過改變潤濕性（接觸角）對流體鋪展行為進行調(diào)控。結(jié)果顯示，液體在兩側(cè)通道之間表現(xiàn)出明確的定向鋪展選擇，且該選擇性會在特定接觸角區(qū)間發(fā)生反轉(zhuǎn)（圖3）。這一現(xiàn)象表明，高曲率弓形邊緣可作為可調(diào)的幾何閾值，實現(xiàn)無需外加場的潤濕性判別式導(dǎo)流。

在上述原理的基礎(chǔ)上，依托摩方精密PμSL3D打印系統(tǒng)制備的弓形高曲率邊緣結(jié)構(gòu)，研究團隊進一步將同一設(shè)計思路延伸至器件級集成，構(gòu)建了三類功能化微流控模塊（圖4）。具體包括能夠基于接觸角差異實現(xiàn)液體在三條支路間選擇性分流的Y型分支通道，可通過不同潤濕性的流體在預(yù)設(shè)槽位中的走向形成可讀輸出的流體數(shù)字顯示結(jié)構(gòu)，以及依靠曲率設(shè)定的潤濕閾值實現(xiàn)油水高效分離的分離模塊。結(jié)果表明，高曲率弓形邊緣可以作為可制造、可復(fù)用的幾何單元，用于實現(xiàn)分流、識別和分離等核心操作，為微流控體系的定向輸運、分區(qū)調(diào)控與模塊化集成提供了可推廣的結(jié)構(gòu)策略。

總體而言，該工作將自然界的弓形高曲率邊緣由經(jīng)驗現(xiàn)象提升為可計算、可制造、可集成的功能單元。在理論層面，研究建立了基于最小作用原理的設(shè)計準(zhǔn)則，明確了在不同接觸角條件下應(yīng)如何選取曲率、深寬比與尺寸大小以獲得更強的鋪展阻礙和清晰的分流閾值。在實驗層面，依托摩方精密PμSL 3D打印系統(tǒng)實現(xiàn)了微米級彎曲邊緣結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定復(fù)刻，并將該結(jié)構(gòu)進一步組裝為可執(zhí)行分流、分離和可視化讀出的多模塊微流控單元。該策略為液體的定向輸運、快速油水分離、現(xiàn)場分析檢測以及可重構(gòu)微流體邏輯單元提供了一條具有可擴展性的幾何設(shè)計路徑。