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香港大學(xué)《Advanced Science》: 可重構(gòu)多級整流器用于三維液體操控

閱讀:489      發(fā)布時間:2024-8-2
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在微尺度下,可控液體操控技術(shù)廣泛應(yīng)用于各類生命系統(tǒng)和工程領(lǐng)域。研究人員通過界面科學(xué)理論和生物學(xué)的啟發(fā),利用精密加工和開發(fā)智能材料,在近二十年間提出了一系列的液體操控技術(shù),滿足了微流控、生化分析等領(lǐng)域?qū)芊€(wěn)定的液體操作需求。當(dāng)前的技術(shù)思路主要分為兩類:第一類是利用無需能量輸入的被動靜態(tài)結(jié)構(gòu)來調(diào)控液體動力學(xué),如豬籠草上的定向液體輸運和蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的集水現(xiàn)象;第二類是通過引入動態(tài)外部場來實現(xiàn)復(fù)雜可調(diào)的液體行為,如利用電場、磁場、聲場等對液體進(jìn)行主動調(diào)控。當(dāng)下關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于,如何構(gòu)建一種兼具被動操作簡單性和主動調(diào)控靈活性的新型液體操控范式,這是未來液體操控技術(shù)邁向?qū)嵱没闹匾徊健?/p>




近日,香港大學(xué)機(jī)械工程系A(chǔ)lan C. H. Tsang教授團(tuán)隊提出了一種簡單、可調(diào)的三維液體操控范式,通過耦合可重構(gòu)分級整流器和預(yù)編程靜態(tài)磁場,實現(xiàn)了固液界面能的靈活調(diào)控。這種新范式支持基于簡化系統(tǒng)的多模態(tài)、高靈活性和易拓展的液體操控,不僅消除了對外場實時控制需求,還顯著增加了結(jié)構(gòu)化界面對液體操控的可能性(圖1),從而打破了傳統(tǒng)液體操控的局限性,為下一代液體檢測設(shè)備、微流體器件和自動生化平臺等應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

相關(guān)成果以“Reconfigurability-Encoded Hierarchical Rectifiers for Versatile 3D Liquid Manipulation"為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Advanced Science》上,香港大學(xué)機(jī)械系博士研究生苗佳麒為本文第一作者,Alan C. H. Tsang教授為本文通訊作者,香港大學(xué)為該論文的通信單位。


圖1. 提出的三維液體操控新范式和與過往研究的比對。


研究團(tuán)隊設(shè)計了一種含有軟基底和磁化微棘輪陣列的可重構(gòu)液體整流器。微棘輪結(jié)構(gòu)具有微米尺度的多級結(jié)構(gòu)特征,包括底部曲率和異質(zhì)傾斜錐體。為滿足其加工需求,團(tuán)隊采用摩方精密microArch®S240(精度:10 μm)3D打印設(shè)備,制備了整流器模板,并結(jié)合翻模技術(shù)制備了樣品。圖2示意了這一加工過程,并提供了對整流器結(jié)構(gòu)和材料的詳細(xì)表征。新型液體操控范式的另一核心元素是由外部小型N52硬磁體陣列構(gòu)造的預(yù)編程靜態(tài)磁場。研究團(tuán)隊設(shè)計了標(biāo)準(zhǔn)化的磁場配置方案,包括準(zhǔn)勻強(qiáng)磁場和周期性梯度磁場,并系統(tǒng)性研究了不同磁場條件下整流器的構(gòu)型變化,以提供通用化的指導(dǎo)(圖2)。


圖2. 整流器的加工與表征;磁場的標(biāo)準(zhǔn)化與校準(zhǔn)。


整流器的微棘輪結(jié)構(gòu)通過調(diào)控液固界面能實現(xiàn)對寬范圍表面張力液體(23-72 mN/m)的定向操控(圖3)。較低表面張力液體由底部曲率構(gòu)造的拉普拉斯壓力不對稱引導(dǎo)至X-方向(直通模式);由于受到頂部異質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響,較高表面張力液體在X-方向液體前進(jìn)線被阻斷,導(dǎo)致其向相反的X+方向定向填充微棘輪(重入模式)。以乙醇-水二元液體體系為例,研究團(tuán)隊系統(tǒng)分析了不同表面張力液體在XY面的運輸行為,并提供了對整流器的通用性評估(圖3),包括:①討論了高注入流速下慣性介導(dǎo)的流動狀態(tài)變化(用韋伯?dāng)?shù)We來衡量);②揭示了棘輪設(shè)計中的尺度依賴效應(yīng),即在合適尺度下整流器才可以呈現(xiàn)多模態(tài)液體操控。



圖3. 整流器引導(dǎo)定向液體運輸?shù)臋C(jī)制、多模態(tài)性和通用性。


引入預(yù)編程磁場后,整流器構(gòu)型設(shè)計變得豐富多樣,這使得重構(gòu)形態(tài)的整流器相比原構(gòu)型具有更靈活和復(fù)雜的液體操控能力(圖4)。研究團(tuán)隊首先分析了準(zhǔn)勻強(qiáng)磁場的方向和強(qiáng)度如何影響整流器對液體的調(diào)控,包括改善液體整流效果和調(diào)控特定表面張力液體的輸運方向。當(dāng)使用更復(fù)雜的非均勻磁場時,原構(gòu)型下的整流規(guī)則將發(fā)生變化。具體地,研究團(tuán)隊展示了梯度磁場下的時空可控的直通式定向液體運輸,以及注入位置決定的單/雙向重入式液體運輸。這些結(jié)果表明,通過預(yù)編程磁場激發(fā)的重構(gòu)整流器可支持更復(fù)雜的液體調(diào)控,且這些調(diào)控基于靜態(tài)構(gòu)型,從而免去了實時外場干預(yù)帶來的復(fù)雜性,具有很大的應(yīng)用潛力。


圖4. 重構(gòu)整流器中增強(qiáng)了的三維液體操控靈活性。


研究團(tuán)隊基于所提液體操控范式進(jìn)一步拓展了幾類潛在應(yīng)用(圖5):①新穎的界面毛細(xì)現(xiàn)象支持的便攜式液體純度檢測;②模擬尺蠖的液體定向“蠕動";③邏輯化液體運輸系統(tǒng);④時空可控的自動化生化分析平臺。



圖5. 基于所提液體操縱范式的多功能整流器。


綜上,研究團(tuán)隊提出了一種結(jié)合多模態(tài)液體整流器和可編程磁場的新型液體操控范式。該范式通過緊密地集成結(jié)構(gòu)設(shè)計和外部驅(qū)動磁場,實現(xiàn)了界面能的按需調(diào)節(jié),以豐富液體的三維操控。其優(yōu)勢在于整流器的高性能引導(dǎo)能力和廣泛適用性,以及磁場干預(yù)方案的簡單性和可擴(kuò)展性。這類可重構(gòu)系統(tǒng)已被證明在便攜式液體識別、開放通道微流體、即時診斷設(shè)備等應(yīng)用中具有巨大潛力。從更廣泛的角度來看,擬議的液體操控范式也可以擴(kuò)展到各種外場和表面結(jié)構(gòu)的耦合方法之中,并在復(fù)雜的多相界面操作中發(fā)揮作用。這些進(jìn)展為創(chuàng)新液體操控器件的設(shè)計和開發(fā)提供了新的理論基礎(chǔ)和實踐范式。

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