文章导读
你是否好奇，一片猪笼草如何启发一场微流控技术的革命？西安交大张辉团队揭秘了其弓形微结构背后的能量调控机制，首次从理论上解释为何“弓形”能高效阻碍液体铺展，并提出可精准设计的高曲率边缘新方法。基于此，他们开发出能实现液体智能分流、数字显示甚至5分钟内分离效率达98%的油水分离器。这项发表于《化学工程杂志》的研究，为微流控器件的设计打开了全新思路——自然的智慧，正悄然改变科技的未来。
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自2016年猪笼草口缘流体单向引导性被发现以来，其表面独特的弓形盲孔微结构，一直是众多流体调控研究的热门仿生对象。然而，为什么猪笼草口缘表面微结构呈现弓形，近十年来科学界一直没有很好的解释。如何恰当地设计弓形弧度，实现流体高效引导甚至是选择性调控，对于理解毛细驱动、润湿能量转化及液体调控机理具有重要意义。
图1 高曲率弓形边缘在方形沟槽中对液体铺展的阻碍机制
图2 基于高曲率弓形边缘设计的功能性微流控器件及其应用
针对上述问题，西安交大机械工程学院张辉副教授团队提出了基于最小作用原理（最小能量法）的高曲率弓形边缘设计方法，获得了不同条件下的最优阻碍弓形曲线，从能量角度揭示了弓形边缘对于液体在沟槽内的最大阻碍作用机理，并提出了不同接触角下弓形曲线设计方法与准则。该研究揭示了2016年以来学界未能解释的弓形结构对流体作用机理问题。基于上述理论，研究团队设计并构建了多种功能性微流控器件，包括Y型分支通道、流体数字显示器和油水分离器。其中，Y型分支通道能够利用接触角差异实现液体在支路间的选择性分流；流体数字显示器通过不同液体在不同通道中的路径走向，形成不同的数字图案显示；油水分离器依靠弓形边缘的润湿差异实现无外场高效油水分离，其5分钟分离效率可达约98%。该研究为微流控系统中液体的定向输运、多向调控及智能筛分提供了新的结构策略与设计思路。
近日，相关研究成果以《选择性微流控弓形高曲率边缘设计》（“Arch shaped high curvature edge design for selective microfluidics”）为题发表在国际权威期刊《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal，IF：13.2）。西安交通大学机械工程学院副教授张辉为论文第一作者兼通讯作者，论文其他作者还包括代松杰、刘洋、朱燚鋆、董光能等。西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室为第一单位。该研究工作得到了国家自然科学基金项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168916
张辉副教授课题组主页：https://gr.xjtu.edu.cn/zh/web/zhanghui7
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