重磅！武汉大学Science Advances发文，蔡司VersaXRM快速成像助力揭示仿生材料拓扑弹性液体二极管三维结构

2025-05-07 09:22:55, 薛龙建团队卡尔蔡司(上海)管理有限公司

蔡司X射线显微镜快速扫描成像助力武汉大学薛龙建教授团队开展仿生学研究，研究成果荣登国际知名期刊《Science Advances》。

基于自然界生物表面具有定向液体运输能力的启示，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（TELD）。该材料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。为了表征液体的在材料表面棘轮结构中的流动路径和三维形貌，本课题研究引入了CT三维成像技术。

▲ 液体在TELD表面不同运输步骤的典型三维形貌成像结果

考虑液体会迅速蒸发的特点，在实验过程中使用了蔡司X射线显微镜最新推出的快速扫描技术进行实验。该技术在 45 秒内即可完成单个实验状态三维成像，实现在数分钟内连续采集多个液体注入状态的三维数据，呈现了液体在材料内部流动路径和三维形态，为拓扑弹性液体二极管的液体定向运输机理提供重要依据。

▲ 利用蔡司 VersaXRM 730快速扫描成像表征液体在材料中的三维形貌

背景介绍

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。

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研究成果

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）。武汉大学薛龙建教授团队利用 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

液体操控模式1：

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。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。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（D_f）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（D_l）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。

液体操控模式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”。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。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。

研究应用

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。