西安交大张辉副教授团队《CEJ》：揭秘弓形边缘如何实现液体“智能”择向

液体在固体微结构表面上的定向铺展、分流与分离，是润湿科学和微流控系统的重要科学与工程问题，直接关系到无外场驱动液体输运、油水高效分离、现场化学分析以及智能润滑与冷却等应用。传统的理论解释通常将液体的单向铺展归因于尖锐台阶对三相接触线的钉扎效应。然而，对于自然界常见的高曲率弓形边缘（如猪笼草口缘），学界仍缺乏统一、可预测的理论，来描述其在不同润湿条件下如何阻滞铺展并诱导液体选择方向。这也限制了此类几何单元向标准化微流控组件的工程化转化。

针对上述问题，西安交通大学机械工程学院张辉副教授团队近日在《Chemical Engineering Journal》发表研究论文“Arch shaped high curvature edge design for selective microfluidics”。该研究提出了基于最小作用原理的高曲率弓形边缘设计框架，利用能量最小化与三维界面形貌预测，给出了弓形高曲率边缘在不同接触角条件下对液体铺展产生最大阻碍的判据，并据此实现了基于接触角差异的选择性分流、筛选与分离。

图1概述了弓形高曲率边缘的基本作用机理。团队以猪笼草口缘为灵感，比较液体沿弓形高曲率边缘正向、反向铺展的差异。研究表明，当液体试图跨越弓形高曲率边缘向外扩展时，三相接触线在该高曲率区域受到显著钉扎，形成明显的阻碍屏障；相比之下，液体沿相反方向运动时阻力显著降低。研究团队将局部高曲率视作可量化的“边缘几何势垒”，并将这一势垒与经典Gibbs判据建立了对应关系，从而使“边缘如何拦截液体”可以被定量描述。

图1. 高曲率弓形边缘对液体铺展的方向性阻碍机理。

图2给出了理论建模结果。团队基于最小作用原理，将液体自由界面的三维形貌、表面能与重力势能统一到同一能量框架，通过能量极小值求解预测弯曲边缘附近三相接触线的稳定形态。模型结果表明接触角是主要控制量，几何参数（如流道深宽比和尺寸大小）会调节界面形貌并影响铺展阻碍强度。该分析为在特定润湿性下选取最有效的弓形曲率、从而获得最大铺展阻力，提供了明确的设计准则。

图2. 最小作用原理模型及数值结果对接触线稳定形态的定量描述。

在实验部分，研究团队依托摩方精密的面投影微立体光刻（PμSL）3D打印系统（nanoArch®P150，精度：25μm）批量制备了具有双侧弓形边缘的微流道结构，并在微米尺度上稳定复现目标曲率特征。随后向微流道中注入不同乙醇/水配比的流体，通过改变润湿性（接触角）对流体铺展行为进行调控。结果显示，液体在两侧通道之间表现出明确的定向铺展选择，且该选择性会在特定接触角区间发生反转（图3）。这一现象表明，高曲率弓形边缘可作为可调的几何阈值，实现无需外加场的润湿性判别式导流。

图3. 双侧弓形边缘微通道实现基于接触角选择性分流。

在上述原理的基础上，依托摩方精密PμSL3D打印系统制备的弓形高曲率边缘结构，研究团队进一步将同一设计思路延伸至器件级集成，构建了三类功能化微流控模块（图4）。具体包括能够基于接触角差异实现液体在三条支路间选择性分流的Y型分支通道，可通过不同润湿性的流体在预设槽位中的走向形成可读输出的流体数字显示结构，以及依靠曲率设定的润湿阈值实现油水高效分离的分离模块。结果表明，高曲率弓形边缘可以作为可制造、可复用的几何单元，用于实现分流、识别和分离等核心操作，为微流控体系的定向输运、分区调控与模块化集成提供了可推广的结构策略。

图4. 基于弓形高曲率边缘的功能微流控器件及其应用集成。

总体而言，该工作将自然界的弓形高曲率边缘由经验现象提升为可计算、可制造、可集成的功能单元。在理论层面，研究建立了基于最小作用原理的设计准则，明确了在不同接触角条件下应如何选取曲率、深宽比与尺寸大小以获得更强的铺展阻碍和清晰的分流阈值。在实验层面，依托摩方精密PμSL 3D打印系统实现了微米级弯曲边缘结构的稳定复刻，并将该结构进一步组装为可执行分流、分离和可视化读出的多模块微流控单元。该策略为液体的定向输运、快速油水分离、现场分析检测以及可重构微流体逻辑单元提供了一条具有可扩展性的几何设计路径。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168916

欢迎各位专家学者提供稿件（微纳3D打印相关研究成果、前沿技术、学术交流）。投稿邮箱：bmf@bmftec.cn。

该文章发布的目的在于传递更多信息，如涉及作品内容、版权或其它问题，请与我司联系，我们将在第一时间删除内容！

最受关注文章TOP 5

• 可注射超声传感器用于颅内生理信号监测