開(kāi)放式微流控技術(shù)利用毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)液體實(shí)現(xiàn)自發(fā)流動(dòng)，顯著降低了微流控系統(tǒng)的復(fù)雜度。通常在開(kāi)放式微流控設(shè)備中，需要微流控閥來(lái)控制流體。然而現(xiàn)有的毛細(xì)閥難以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體流動(dòng)的編程控制，這限制了復(fù)雜開(kāi)放式微流控系統(tǒng)的構(gòu)建。近日，北航機(jī)械學(xué)院仿生與微納系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)張鵬飛教授課題組受生物啟發(fā)，提出了液體二極管閥（LDV）概念，LDV利用非對(duì)稱(chēng)毛細(xì)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)單向流動(dòng)及反向固定，若采用磁性材料制成，可進(jìn)一步在開(kāi)放式系統(tǒng)中對(duì)多種液體的流動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制（圖1），相關(guān)成果“Bioinspired Liquid Diode Valve Enables Programable Control of Liquid Flow in Open-channel Microfluidics”發(fā)表于權(quán)威期刊《Advanced Functional Materials》上。
圖1 仿生二極管閥的概念性設(shè)計(jì)
作者借鑒豬籠草口緣各向異性微腔結(jié)構(gòu)，并將其簡(jiǎn)化為“門(mén)型”不對(duì)稱(chēng)立柱。研究首先表征并分析了微閥控制流體正向流動(dòng)、反向自動(dòng)釘扎，以及由閥芯偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的反向流動(dòng)的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)分析了閥門(mén)的靜態(tài)調(diào)控規(guī)律與閥門(mén)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的關(guān)聯(lián)：正向流動(dòng)時(shí)，隨著流道表面本征接觸角q0增大，液體浸潤(rùn)閥門(mén)的時(shí)間延長(zhǎng)，邊緣角b越大，正向流動(dòng)的臨界接觸角qfc越高，實(shí)驗(yàn)所得到的臨界接觸角qfc與自由能模型高度吻合。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定反向釘扎的臨界接觸角qbc?30°，且對(duì)邊緣角b與閥門(mén)縫寬度wg不敏感。通過(guò)磁偏轉(zhuǎn)，反向釘扎的液體可在0.5 s內(nèi)突破閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)再次流動(dòng)。研究表明，通過(guò)調(diào)節(jié)LDV的潤(rùn)濕性、邊緣角、取向和主動(dòng)偏轉(zhuǎn)，可精確的控制液體的流動(dòng)與釘扎。作者構(gòu)建AND、OR、XOR、NOT等液體邏輯門(mén)，并演示觸發(fā)閥、延時(shí)閥、選擇閥等功能（圖2）。通過(guò)磁場(chǎng)陣列順序開(kāi)閥，實(shí)現(xiàn)液體的有序混合等功能。
圖2 二極管閥對(duì)開(kāi)放式微流控芯片的流體調(diào)控
最后，研究展示了利用 LDV進(jìn)行可控化學(xué)反應(yīng)、通過(guò)按需開(kāi)啟LDV對(duì)未知化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行即時(shí)檢測(cè)，以及將LDV作為電子元件構(gòu)建可重構(gòu)液體電路的應(yīng)用（圖3）。LDV的可調(diào)性、可集成性和靈活性將推動(dòng)可擴(kuò)展、可編程的開(kāi)放式微流控系統(tǒng)的構(gòu)建。
圖3 集成二極管閥微流控芯片的應(yīng)用
綜上所述，LDV具備“結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可陣列化、動(dòng)態(tài)可逆、低驅(qū)動(dòng)場(chǎng)”等綜合優(yōu)勢(shì)，突破了開(kāi)放式微流控長(zhǎng)期缺乏可編程閥的核心瓶頸。有助于構(gòu)建可擴(kuò)展、可重構(gòu)、可穿戴的智能化液體芯片平臺(tái)，服務(wù)于床旁診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生化篩選及柔性液體電子等領(lǐng)域。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和航空基金等項(xiàng)目的資助。機(jī)械學(xué)院2023級(jí)博士生劉聰穎為論文第一作者，張鵬飛教授為論文通訊作者。
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