形状演化微纤维轨道实现液滴自发定向输运的新机制

《Nature Communications》：Spontaneous droplet transport on shape-evolving microfiber rails

本研究针对传统静态梯度表面液滴定向输运方向固定、速度与距离相互制约的难题，开发了形状演化微纤维轨道（SEMRs）系统。通过仿生多米诺机制实现动态梯度生成，实现了液滴方向可调控、速度与距离独立控制的突破性进展，为智能微流控系统开辟了新途径。

　　

在微流控技术和分析化学领域，实现液滴的精准操控一直是科学家们追求的目标。传统基于Gibbs表面自由能最小化理论的液滴定向运动策略，依赖于预先设计的静态表面梯度（如化学组成、粗糙度、刚度等梯度）。然而，这类静态梯度表面存在固有局限：输运方向一旦制备即固定不变，且输运距离与速度相互制约，难以满足复杂应用场景对液滴操控灵活性、可重构性的需求。能否在无固有梯度的表面上实现液滴的自发定向输运，成为领域内一个亟待解决的关键科学问题。

受多米诺骨牌效应启发，香港城市大学朱平安团队与中国科学技术大学司挺团队合作，在《Nature Communications》上发表了题为“Spontaneous droplet transport on shape-evolving microfiber rails”的研究论文，提出了一种形状演化微纤维轨道（SEMRs）的新策略。该系统由两根平行的刺激响应性微纤维构成，初始状态下并无预设梯度，而是通过液滴-表面相互作用触发微纤维的形变，动态产生并持续演化几何梯度，从而驱动液滴进行自发、定向的输运。

研究人员为开展本研究，主要运用了以下关键技术方法：采用液滴微流控技术精准制备具有偏心分布微颗粒阵列的藻酸盐-硅藻土复合微纤维；通过调控流场参数和材料组成控制微纤维的形态和吸湿变形性能；利用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）对微纤维结构、表面形貌及液滴输运过程进行表征；通过控制环境温湿度研究其对微纤维变形和液滴输运动力学的影响；构建了基于特征浸润时间和变形时间的相图来预测液滴行为（输运或破裂）。

设计原理

SEMR系统由两根平行悬挂的微纤维组成，其设计核心在于微纤维需具备对输运液滴的响应性以及宏观或微观尺度的结构不对称性。例如，针对水输运，微纤维由吸湿响应的藻酸盐-硅藻土外壳包裹偏心分布的微颗粒构成。接触液滴后，吸湿膨胀导致微纤维朝向微颗粒侧弯曲，产生动态演化的几何梯度。通过设计液滴沉积位置或表面微观结构的不对称性，可引导液滴沿可编程、可操控的轨迹运动。

设计实现

研究展示了能够实现水滴自发输运的吸湿响应SEMR。微纤维的粗糙面（带有周期性微凸起）朝内相对放置，初始间距s₀约为600 μm。液滴（约1.8 μL）沉积后，输运过程分为三个阶段：I）双向铺展；II）不对称回缩；III）定向输运。在阶段I，液滴快速双向铺展形成 elongated liquid column。阶段II，吸湿变形使平行轨道转变为纺锤形构型，引发液滴不对称回缩，形成楔形。阶段III，楔形构型产生Laplace压力梯度（ΔP = γ(1/R_r- 1/R_l)），驱动液滴向窄端定向运动，此阶段液滴特征宽度W_drop和轨道楔角α保持稳定。

SEMR能够实现液滴抗重力输运，适用于不同表面张力（γ）和粘度（μ）的液滴。脱水后SEMR可恢复初始平行构型，经过100次水合-脱水循环后仍保持良好变形性能，且储存30天后输运效率稳定。

方向操控

液滴的不对称回缩决定了其后续输运方向。研究表明，通过设计SEMR的宏观拓扑结构或微观结构，可以实现对输运方向的精确控制。当微纤维表面微观结构对称时，液滴沉积位置ε（= L_d/L_f）决定输运方向：ε < 0.5时向左（负方向），ε > 0.5时向右（正方向），ε = 0.5为转变点。宏观拓扑不对称性导致液滴两侧微纤维变形速度不同（U_l/U_r= [1 - L_s/(2εL_f)] / [1 - L_s/(2(1-ε)L_f)]），进而产生Laplace压力差驱动液滴。

当引入具有不对称微观结构（如棘齿状，倾斜角β₁= 47.3° < 90° < β₂= 110.8°）的微纤维时，微观结构的不对称性主导输运方向，转变点降至ε ≈ 0.23。接触线在棘齿结构上退缩时，毛细力分布不对称（例如，在β₂侧，垂直分力F_v-= γsinβ₂指向下，有助于接触线移动）导致接触线在β₂侧更快退缩，从而设定输运方向。

动态梯度驱动的液滴输运

SEMR的独特之处在于其实现了输运速度与距离的独立控制。平均输运速度在液滴体积固定时基本恒定，与距离无关。浸润（Wicking）过程在维持液滴-微纤维相互作用中起关键作用。当浸润受限时，输运呈步进式。液滴的最终行为（定向输运或破裂）取决于浸润时间t_w~ L_c²/D（L_c为特征距离，D为水扩散系数）与变形时间t_d的竞争。当t_d> t_w时发生定向输运；反之，当液滴宽长比C = W_drop/L_drop超过临界值C_criti≈ 2.41时，液滴因Rayleigh-Plateau不稳定性而破裂。

通过预润滑或部分涂覆非吸湿性材料可显著减少液滴输运过程中的液体损失，并实现纳升级液滴的可靠输运，获得更高的单位体积输运距离。

潜在应用

SEMR在分析化学、货物输运、电子电路和医学诊断等领域展现出巨大潜力。概念验证演示包括：液滴操控（如后方液滴加速追赶合并前方液滴，速度峰值达~21 mm s^-1），微反应器（如触发KCl和AgNO₃液滴化学反应）；非互动性材料输运（如水滴作为“燃料”驱动油滴或PDMS固体球输运）；智能流体电子电路（通过控制水滴沉积位置选择性点亮不同侧的LED）；诊断应用（如利用预负载显色剂的SEMR检测液滴成分，如柠檬酸引起cresol red/NaOH体系颜色从紫变黄）。

该研究成功演示了基于形状演化微纤维轨道（SEMRs）的液滴自发定向输运，突破了传统静态梯度表面的固有局限。其核心创新在于利用液滴-表面相互作用触发的动态演化几何梯度，实现了输运方向、速度、距离的按需独立调控。SEMR系统兼具被动策略的低能耗与主动策略的灵活性，展现出优异的可重构性、耐久性和材料兼容性。通过简单的表面修饰可进一步优化其性能。SEMR在微反应器、多相操控、液体逻辑电路和材料检测等领域的成功应用示例，奠定了其作为下一代智能液体操控平台的潜力，为先进流体技术的发展开辟了新的范式。