香港城市大學朱平安《自然·通訊》：新型智能微纖維導軌實現液滴自發定向運輸

液滴在固體表面的定向運動是微流體、化學反應、霧水收集等領域的核心技術，其理論基礎源于吉布斯表面自由能最小化原理。傳統方法依賴預先設計的靜態表面梯度（如化學、粗糙度、幾何梯度）來驅動液滴，但這些方法存在固有局限：運輸方向固定，液滴的運輸距離與速度相互制約，且難以實現多參數獨立調控。長期以來，研究人員一直在探索能否在沒有固有梯度的表面上實現液滴的定向運輸，以突破靜態梯度設計的限制。

香港城市大學朱平安助理教授、中國科學技術大學司廷教授合作，提出了“形狀演化微纖維導軌”（SEMR）系統，成功在初始無梯度的表面上實現了液滴的自發、定向運輸。受多米諾骨牌效應啟發，該系統由兩根平行微纖維組成，通過液滴與纖維的相互作用動態產生并持續演化幾何梯度，從而驅動液滴運動。這種自適應機制使得液滴運動方向、速度、距離及體積均可獨立調控，克服了傳統靜態梯度表面的固有限制，為新一代智能流體系統（如微反應器、流體邏輯電路、診斷平臺等）奠定了堅實基礎。相關論文以“Spontaneous droplet transport on shape-evolving microfiber rails”為題，發表在

Nature Communications

研究團隊設計的SEMR由兩根具有刺激響應變形能力的平行微纖維構成。如圖1所示，其設計靈感來源于多米諾骨牌連鎖反應：當液滴接觸纖維時，會引發局部形變，進而動態生成幾何梯度，推動液滴沿可調控的方向運動。每根微纖維由吸濕性海藻酸鹽-硅藻土外殼及偏心分布的微顆粒陣列組成，接觸液滴后因不對稱溶脹而發生彎曲，形成動態梯度。通過調控液滴沉積位置或纖維表面微結構的不對稱性，即可實現液滴沿預設軌跡的運動。

圖1 | 形狀演化微纖維導軌（SEMR）的設計。 a. 受多米諾骨牌效應啟發的非梯度SEMR系統設計，由兩根具有刺激響應變形能力的平行微纖維組成。該系統動態生成幾何梯度以驅動液滴定向運輸。 b. 展示為定向水滴運輸設計的微纖維的吸濕響應變形示意圖。 c. 液滴沉積位置或表面微結構的不對稱性，為生成動態演化梯度奠定基礎。

圖2直觀展示了水滴在SEMR上的定向運輸過程。液滴沉積后，經歷三個階段：雙向鋪展、不對稱回縮和定向運輸。在雙向鋪展階段，液滴迅速沿纖維延伸形成液柱；隨后，纖維因吸濕變形呈紡錘形配置，引發液滴不對稱回縮；最終，纖維形成楔形結構，產生拉普拉斯壓力梯度，驅動液滴穩定向較窄一端運動。整個過程中，液滴寬度與纖維楔角保持穩定，體現了纖維形變與液滴運動之間的協調互動。

圖2 | SEMR上的定向液滴運輸。 a. 水滴（1.8 μL，染紅）在SEMR上的定向運輸過程，顯示液滴沉積后的三個階段：（Ⅰ）雙向鋪展，（Ⅱ）不對稱回縮，（Ⅲ）定向運輸。微纖維排列方向與重力垂直。纖維長度Lf≈25 mm，初始間距s0≈600 μm。 b. 光學顯微鏡（左上）和掃描電子顯微鏡（SEM；右上及底部）圖像，顯示微纖維的結構特征、表面形貌和橫截面。包覆的微顆粒形成突起（右下SEM圖），硅藻土-海藻酸鹽連接處形成凹谷（右上SEM圖）。 c. 液滴前端和后端位置隨時間變化的曲線。兩端位置差定義液滴體長。 d. 定向液滴運輸過程中液滴-微纖維相互作用的示意圖。液滴尺寸由其寬度（Wdrop）和長度（Ldrop）表征。 e. 液滴特征寬度（Wdrop）和SEMR動態楔角（α）隨時間變化的曲線。

SEMR展現出強大的運輸能力與耐久性（圖3）。它能夠驅動液滴對抗重力上坡運動，適用于不同表面張力與粘度的液體。脫水后，纖維可恢復初始平行結構，實現系統重置。經過100次吸濕-脫水循環，其形變性能依然穩定。實驗還表明，通過調控沉積位置（ε），可決定液滴向左或向右運動（圖4）。當ε=0.5時，系統處于臨界狀態，液滴可能向任意一側運動。

圖3 | SEMR的運輸能力與耐久性。 a. 時序圖像顯示2 μL液滴在傾斜4.5°的SEMR上坡運動。 b, c. 表面張力γ（b）和粘度μ（c）對平均運輸速度的影響。 d. SEMR經歷吸濕以演化動態梯度，隨后脫水恢復其初始無梯度拓撲結構。 e. 環境溫度對SEMR脫水持續時間的影響。 f. 經過30天和100次吸濕-脫水循環后，微纖維在吸濕過程中的偏轉角度幾乎不變，表明其性能穩健。

圖4 | 宏觀拓撲不對稱性主導的選擇性定向液滴運輸。 a. 具有對稱微結構的SEMR上的定向液滴運輸。 b. 時序圖像顯示水滴在SEMR上根據沉積位置ε向相反方向運輸。當ε=0.39時，液滴向左運動（負方向）；當ε=0.62時，向右運動（正方向）。 c. 液滴運輸距離隨沉積位置ε的變化關系。隨著ε從約0.1增至約0.9，運輸方向從負向轉為正向，過渡點出現在ε=0.5。 d. 時序圖像和示意圖闡述由宏觀拓撲不對稱性主導的液滴不對稱回縮動力學。

為實現更靈活的方向控制，研究人員進一步設計了具有不對稱微結構的SEMR（圖5）。該類纖維表面呈棘齒狀，具有兩個不同的傾斜角（β? < 90° < β?）。即使液滴沉積在偏左位置（ε < 0.5），不對稱微結構仍能主導液滴向特定方向（如正方向）運動，顯示微觀結構不對稱性可超越宏觀拓撲約束，精確操控運輸方向。

圖5 | 不對稱微結構主導的選擇性定向液滴運輸。 a. 具有不對稱微結構的SEMR上的定向液滴運輸。 b. 時序圖像顯示水滴在SEMR上即使當ε=0.38時仍單向（正方向）運輸。 c. 液滴運輸距離隨ε變化的曲線，從負向運輸轉為正向運輸的過渡點降至ε≈0.23。 d. 時序圖像和示意圖描述由不對稱微結構主導的液滴不對稱回縮動力學。

液滴運輸的動力學機制源于纖維吸濕形變所產生的動態梯度（圖6）。SEMR可實現運輸速度與距離的獨立調控：在液滴體積固定時，平均運輸速度基本不隨距離變化。纖維表面的毛細芯吸作用在維持液滴-纖維相互作用中至關重要，它形成潤滑液膜并促進纖維形變。若芯吸速度慢于形變，液滴可能因寬度過大而發生瑞利-普拉托不穩定導致斷裂；反之，則能實現連續運輸。通過提升芯吸能力（如增加水擴散系數），可顯著提高運輸速度。

圖6 | 液滴-表面相互作用下的定向液滴運輸動力學。 a. 液滴運輸過程中微纖維輪廓的動態演化。 b. 對不同體積Ω的液滴，平均運輸速度與距離Lt的獨立控制。 c. 液滴運輸過程中芯吸效應在SEMR表面的時序圖像。 d. 液滴運輸距離和速度隨時間的變化。 e. 因寬長比C增加而導致液滴在兩根微纖維間斷裂的時序圖像。 f. 相圖顯示根據特征芯吸時間tw和形變時間td劃分的兩種液滴行為：定向運輸與斷裂。 g. 不同擴散系數D的SEMR上運輸距離隨時間的變化。液滴體積為2 μL。

研究還展示了SEMR的多功能性與潛在應用（圖7、圖8）。通過表面修飾（如局部涂覆非吸濕材料），可大幅減少液滴運輸過程中的液體損失，實現納升級液滴的長距離運輸。在應用演示中，SEMR可用于多液滴融合、液滴微反應器（如觸發KCl與AgNO?沉淀反應）、油滴與固體貨物的定向輸送，以及構建液滴驅動的輸入/輸出電路（通過液滴位置控制不同LED亮滅）。此外，通過預負載顯色指示劑，SEMR還能用于微量液體的成分檢測（如酸性物質），在生物醫學診斷中具有重要潛力。

圖7 | SEMR的多功能性。 a. 時序圖像顯示多個液滴（2 μL）沿SEMR連續運輸。 b. 液滴運輸速度及水損失隨運輸液滴數量的變化。 c. 光學圖像顯示0.5 μL水滴沿涂層SEMR運輸。上圖虛線標示有（右側）與無（左側）非吸濕涂層的區域邊界。 d. 與無需外部能量輸入的其他表面相比，單位液滴體積的運輸距離（Lt/Ω）對比。綠色、紅色和黃色柱分別表示已報道的具有潤濕性梯度、幾何結構及其組合的表面的運輸性能

圖8 | SEMR上定向液滴運輸的應用展示。 a, b. 示意圖（a）和照片（b）展示SEMR上液滴的自發融合。 c. 圖b中液滴I和II的運動距離隨時間變化的曲線，顯示融合前液滴II的速度躍升。 d. 時序圖像展示SEMR上基于液滴的微反應器。 e, f. 由水滴驅動的油滴（e）和固體球（f）的定向運輸。 g. 由SEMR實現的智能流體-電子電路。水滴在SEMR上的選擇性定向運輸可點亮不同發光二極管（紅色與綠色）。 h. 通過SEMR上液滴-微纖維相互作用進行組分檢測。液滴運輸后，微纖維從紫色變為黃色，表明液滴中存在酸性物質。

這項研究通過形狀演化微纖維導軌，成功實現了在無初始梯度表面上的液滴自發、定向運輸，打破了傳統靜態梯度設計的局限性。其動態自適應機制允許對運輸方向、速度、距離等進行獨立、按需調控，為智能液體操控提供了全新平臺。SEMR在微反應器、多相物質操控、流體電路及材料檢測等方面展現出廣泛的應用前景，有望推動下一代智能流體系統的發展，在分析化學、貨物輸送、電子學及診斷等領域開辟新的可能性。