二极管能够使电流沿特定方向通过。类似地，液体二极管通过结构设计赋予液体定向输运能力，在微流控、热管理和智能润滑等领域具有应用潜力。然而，现有液体二极管多依赖开放二维表面，难以适用于微管道和内部孔道等受限空间。如何在封闭通道内实现稳定的液体单向输运，仍是该领域面临的重要挑战。
针对受限空间中液体定向输运难以实现的问题，西安交通大学机械工程学院张辉团队近日在《Advanced Functional Materials》发表题为“3D Capillary Liquid Diode for Selective Liquid Steering and Smart Lubrication”的研究论文。该研究受多孔材料毛细吸液和生物纤毛定向输运启发，在微管内壁构筑倾斜及曲线微纤毛阵列，提出了一种三维毛细液体二极管，实现了封闭微管内的单向毛细输运，并进一步用于选择性液体引导和智能润滑（图1）。
图1. 三维毛细液体二极管的结构设计、输运机制和应用场景示意图。
在完成三维毛细二极管的构型设计后，研究团队依托摩方精密的面投影微立体光刻（PμSL）技术 （microArch® S240，精度：10 μm），制备了具有不同微纤毛排布方式的微管样件，并进一步评估其对液体单向输运的影响（图2）。结果显示，微纤毛的数量、倾斜角度和结构间距会共同影响正反向浸润差异。通过合理优化这些几何特征，液体在正向输运时可保持连续前进，而反向输运则被明显抑制。此外，该结构在不同表面张力、黏度和化学组成的液体中仍能保持方向选择性，说明三维毛细二极管具有较好的液体适应性。
图2. 不同几何参数下三维毛细液体二极管的正反向浸润行为。
在直微纤毛结构基础上，研究团队进一步引入曲线微纤毛设计，用于增强液体反向输运时的阻滞能力（图3）。该设计通过匹配液体弯曲界面与微结构边界，使接触线在反向前进过程中更容易被微纤毛边缘钉扎。结合数值模拟与实验验证，优化后的曲线微管在保持正向毛细输运能力的同时，显著抑制了反向浸润，从而进一步提升了三维毛细二极管的单向输运性能。
图3. 曲线微纤毛结构设计、数值模拟和优化微管单向浸润性能。
单向毛细输运从单根微管走向分支网络后，三维毛细二极管进一步展现出可编程液体调控能力。研究团队将曲线微纤毛通道集成到分支微通道中，使液体能够沿预设路径前进，并在反向分支处受到钉扎抑制，实现选择性引流。通过组合不同曲率的微纤毛通道，该结构还可根据液体接触角差异实现被动筛分，使不同润湿性的液体进入不同分支。面向润滑应用时，曲线微纤毛孔道可将内部储油区域中的润滑油持续输送至摩擦接触区，促进稳定油膜形成，从而降低摩擦波动并减轻磨损。相关结果表明，该三维毛细二极管在微流控分配、液体筛分和智能润滑中具有应用潜力（图4）。
图4. 三维毛细液体二极管在选择性液体引导和智能润滑中的应用。
总结：该研究将液体二极管从开放二维表面拓展到封闭三维微管内部，提出了基于微纤毛结构调控毛细输运的新方法。相关成果为受限空间液体定向输运、微流控、液体筛分和智能润滑结构设计提供了新的思路。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.75947
