近期，西南科技大学李国强教授、余家欣教授和南开大学曹墨源研究员合作提出了模块化液滴单向自运输的概念，将传统的连续液体输送通道离散化，设计了一种即插即用的模块化开放通道（MFUs），在满足单向自运输需求的基础上同时，实现了路径的任意可重构、可编辑和可预测。相关工作以“Programmable and unidirectional liquid self-transport on modular fluidic units”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials（IF=26.8）上。
在开放通道上操控微小液滴的运动行为，尤其是无需外加物理场的液滴自发运输，对精细化工、生物医疗乃至能源等领域有着重要意义。然而以往一些结构所提供的液体通道一般是孤立和固定的，不具备按需可重构的能力，缺乏足够的灵活性。因此开发一种灵活可重构并且可实时操控液滴输送路径的器件，对于微流控领域有重要意义。
（1）MFUs的设计制备研究：通过疏水化学涂层与飞秒激光加工相结合，构建出具备润湿性梯度与楔形接口的微流控单元，使液滴在MFUS单元的规定路径上自发单向运输。
（2）“液桥”数学模型研究：通过数学方法，对离散单元接口狭缝处液桥的形成建立了微分阻尼振荡系统，仿真并解释了MFUs上液体单向运动的现象与机理。
（3）可编辑方法研究：利用MFUs不同单元组合所具备的不同“开”和“闭”效果，实现了MFUs类似逻辑门式的可编辑性。
关键结论
（1）MFUs实现了单通道100 mm/s与组装路径30 mm/s的输运速度，传输损失率低于5%；单元呈现刚性，但具备±5°的可变形容错率；可在25~60℃的宽温域内稳定工作。
（2）所有MFUs单元具备统一角度（20°）的楔形接口，所需液体路径可实时拼装而成，运输过程中也可实时打断并生成新路径。
图1展示了MFUs与传统既定路径式微流控的区别，即一次加工，统一接口，加工后的成品如“乐高拼图”随取随用。所设计的诸如直走、分流、合流等不同功能单元的组合使得微流控路径可以实时任意生成。同时MFUs具备液体单向输送的特点。
图2具体的介绍了MFUs所具备的楔形接口具备单向液体流动性的原理，液体在面临前进方向的缺口时，液-气界面在微槽顶部产生了显著的卷曲，促使前进方向自发形成了悬空液桥，桥接相邻两个模块，而在相反方向，液体所受的粘滞阻力远远低于正向，因此液体被钉扎。同时探讨了常见的弧形接口、矩形接口由于没有明显的正反阻力差所造成的双向流动或双向钉扎现象。
图3中，文章对相邻两个单元直接的接口狭缝处进行了数学建模分析以及实验验证，来探索实现相邻单元液体传输的液桥形成机理。将形成的液桥假定为一个微分阻尼振荡系统，并对其进行了模拟仿真，结果所展现出来的液桥在狭缝中反复的振荡直到稳定态的过程与实验过程完全匹配。同时由于狭缝的存在，使得MFUs在拼装中允许最大5°的弯曲，这为MFUs的使用提供了极大的容错。
图4中则展现了MFUs作为微流控平台的顺序液体输送应用，用于重氮化反应的三通阀，对亚硝酸钠（入口1，浅蓝色标记）和对氨基苯磺酸（入口2，黄色标记）均定向输送到收集单元，可以观察到MFUS有效防止玫瑰红产物逆流，避免了潜在污染。同时展现了对液体的定向均分效果。
图5则展示了可编程的应用思路，通过将分流单元与合流单元的组装，可以方便地获得六边形环路径，如图所示。任意六个基本单元都可以组成六边形环路径。按照参与组合的合流单元数量进行区分，可以分为 0、1、2、3、4、5、6一共七种环形路径。如图5b由一个2号环、五个3号环、五个4号环以及一个5号环所组成。从中间入口（黑色虚线圆圈）给液，因为需要满足从“槽”到“锥”的单向运输逻辑，液滴将仅能在中间4个六边形环上完成自运输，无法向两侧单元运输，最终铺满了类似数字“1”的路径。然而，当不改变六边形环的编号组成，仅调整组装顺序和位置，如图（b），在同样的中间入口给液，液滴将最终铺满类似数字“0”的区域。
本文围绕当前液滴自运输开放通道的焦点问题，提出了一种模块化自运输理念。通过理论建模和实验验证，深入探索了液滴在模块化通道间的运输行为及机理，展示了模块化通道所具备的优异的归一化运输距离、独特局部可变形能力、以及复杂工况适应能力，实现了液滴单向自运输、现场可编辑功能的有效结合。
未来，进一步挖掘该设计所具有的体积优势，探索此类模块化微流控开放通道在气体组分捕获、高通量细胞筛选及大气集水与定点供给等领域的应用，有望推动模块化微流控更好地服务液滴的智能化、低能耗的操控需求。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202508530
撰稿|课题组
