自然界中，沙漠甲虫、仙人掌、多肉植物等具有定向液体运输能力。在这些生物表面，液体会流向曲率较小、表面能较高或钉扎效应较弱区域，这些现象主要由拉普拉斯压力差、毛细力或液体扩散驱动。模仿这些生物表面构建的具有化学或形貌梯度的功能表面，实现了液体的被动定向运输，在微流控系统、喷墨打印、生物医学工程等技术系统中具有广泛应用前景。然而，这些被动策略无法实时改变液体流动方向。相对而言，主动策略通过外部刺激（如热、光、超声波、磁场或电场）打破液滴润湿的对称性，使得液滴沿特定方向移动，并可以对液滴的运动方向实时操控。这些主动技术仅适用于小体积液滴，需要在液滴或基底中添加特定物质，具有一定的局限。此外，这些策略通常仅适用于疏液性（甚至超疏液性）表面，限制了其应用。如何在亲液表面上实现液体流动方向的原位调控，仍然是极具挑战的课题。
针对上述科学难题，武汉大学薛龙建教授团队创新性地开发了一种拓扑弹性液体二极管（Topological elastic liquid diode，TELD）。TELD不仅具备单向长距离液体运输能力，还能够实现液体流动路径原位实时调控。TELD通过调控正交方向力的竞争，实现了对液体流动方向的按需精准控制。这一控制机制可通过两种独立模式实现：（1）通过弹性基底层机械应变调控，（2）通过调节液体注射速率调控。此外，TELD在逻辑门控、液体应力阀、微流控反应器以及雾水收集器等领域展现出显著的应用潜力，为多功能流体操控系统的设计与开发提供了新的技术平台。
该研究以“Topological elastic liquid diode”为题发表在《Science Advances》上。武汉大学薛龙建教授、赵焱教授和香港理工大学王钻开教授为论文共同通讯作者，武汉大学工业科学研究院博士生张钰荣为论文第一作者。
受南洋杉叶片启发，结合聚二甲基硅氧烷（PDMS）和棘轮阵列结构设计了弹性液体二极管（图1）。利用3D打印技术制备仿南洋杉叶片棘轮阵列硬模板，结合软印刷技术与基底预拉伸制备了TELD。调控TELD基底层的应变（模式1）或液体注射速度（模式2）实现了液体流动方向的可逆操纵，为微流控系统提供了一种动态控制新策略。
图1. TELD的设计、概念及液体操控模式
调控液体铺展前沿正交方向作用力的竞争，可实现液体运输方向转换。在TELD的液体操控模式1中（图2），当TELD（k = 1.6）处于未拉伸状态时，液体铺展在侧向所受的阻力大于向前的阻力，液体沿正向（Df）运输；向TELD施加应力至TELD的临界应变27%以上时，棘轮间距重构导致液体在侧向（Dl）所受阻力减小，向前阻力增加，液体运输方向发生转变；通过拉伸-释放TELD，可以实时操控液体流动路径。更具突破性的是，作者提出“应力阀”概念—拉伸TELD伸长率至30%可瞬间阻断液流，使液体暂停运输2分钟以上，释放应力后液体流动立即恢复，无需物理阀门。通过结构参数梯度k值设计，液体可在梯度TELD中实现90°侧向转向后继续向前运输。
图2. 模式1（TELD基底应变调控）的调控机制与路径调控
该团队进一步提出第二种操控模式（模式2），通过动态调节液体注射速率，在螺旋形TELD上实现流动路径“瞬时变轨”。如图3所示，当乙醇以恒定速率（如1 μL/s）注入时，液流沿初始两列棘轮稳定向前运输。一旦注入速率突增（如从1 μL/s提升至2 μL/s），液流轨迹立即横向跳转至相邻两列棘轮，并保持Df方向继续流动。通过阶梯式提升流速（1→2→4→6 μL/s），液流路径可连续三次横向偏移，形成精准的“轨道切换”效应。模式2的核心在于流速突变引发动态力竞争：流速突增时，液体无法及时输送至前方棘轮，导致前缘液体堆积，堆积液体的重力分量沿螺旋方向分解为侧向驱动力Fl = ∆GsinФ与正向驱动力Ff= ∆GcosФ。当Fₗ克服侧向阻力（Rp,l）时，液面横向扩展接触相邻列棘轮，触发路径切换。模式2首次将流体惯性效应与结构几何参数（Φ）耦合，实现了非接触式、低能耗的流动路径重构。相比传统微阀控制，该方法无需复杂驱动元件，具有快速响应性，为高集成度微流控芯片设计开辟了新维度。
图3. 模式2（液体注射速率）的调控机制与路径调控
TELD可以用于可编程流体逻辑器件。通过将导电溶液集成至开路TELD，成功实现了应力-光信号转换：未拉伸时，液流沿预设两列通道导通绿色LED；施加20%应变使运输路径扩展至四列，触发黄色LED；40%应变下运输路径跨越六列，点亮红色LED（图4A）。这种无芯片流体逻辑系统可直接将机械应力转化为可视化信号。
TELD突破传统封闭式微流控局限，结合开放式液滴系统优势，构建出兼具混合、控制与监测功能动态化学反应平台。在盐酸-氢氧化钠中和反应实验中：未拉伸状态：三个检测位点的反应启动时间差达1.16秒（位点3滞后），但反应时长趋同；25%应变下：反应位点间距增大，但通过液流速度调控，三个位点反应同步启动并在1.92秒内同步完成（图4B-C）。这表明TELD不仅能加速反应进程，还可通过应变调节实现反应时空分布主动控制。
基于模式2力学调控原理，螺旋形TELD在85%湿度环境下展现出卓越的集水性能（图4D）。水滴在螺旋TELD表面合并形成分段液流，前缘质量突增触发类似流速调控路径的下移机制。平面TELD因液滴随机冷凝、缺乏路径调控，集水效率低于螺旋TELD。
图4. TELD对液体流动方向调控的应用
受南洋杉叶片三维棘轮结构的启发，该工作通过3D打印和软印刷法构建了具有三维棘轮阵列结构TELD。TELD具有在两种模式下操控乙醇定向流动路径的能力。在模式1中，乙醇沿棘轮倾斜方向单向流动，当机械拉伸超过临界值（如k=1.6，ε=27%）时，流动方向可90°转向。拉伸增加了液体的正向铺展阻力，减少了横向阻力，进而改变液体流动方向，且拉伸-释放可以可逆调控流动方向。在模式2中，改变乙醇注射速率，可在螺旋TELD上改变正交方向阻力竞争，实现流动路径的横向偏移。此外，TELD还可用作逻辑门、液体应力阀、微流控反应器和雾水收集器。该研究不仅提供了一种在亲液表面控制液体流动的策略，还提出了一种具有广泛应用潜力的弹性液体二极管，适用于柔性电子、芯片实验室和生物工程等领域。
原文链接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adt9526
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