合理調控界面材料的結構與化學組成，可以優化界面與流體之間的相互作用，從而實現低耗、無損、智能的流體傳輸過程。流體二極管（Liquid Diode），是一類僅允許流體僅在一個方向上通過，而在反方向上阻止流體通過的智能界面材料。在過去的十年中，研究人員設計了一系列具有不對稱潤濕性的材料，如織物、聚合物纖維和金屬網，來實現此類流體單向導通。例如，水滴將會單向從網材疏水面流向親水面，而此過程中，表面張力是液體輸運的唯一動力。在傳統的認識中，浸潤性梯度和浸潤性差異，是設計此類單向導通系統的唯一途徑。
圖1 二元仿生設計具有液體單向導通的流控器件
受水稻葉各向異性浸潤性和豬籠草超潤滑界面現象的啟發，天津大學曹墨源副研究員團隊聯合北航劉克松教授團隊設計了一種可以實現液體單向操縱的正交排列的各向異性Slippery軌道組合網材（IMOAS，圖1）。與之前依靠不對稱浸潤性Janus結構來實現液體單向操縱的器件相比，IMOAS僅通過調節水平軌道和下降軌道的相對位置即可實現液滴滑動模式和穿透模式的轉換（圖2），而不涉及任何浸潤性梯度/對比，發展出了一類利用2維各向異性界面組合來實現液體單向輸運的新途徑。
圖2 IMOAS液體操縱模式轉換
通過3D打印聚乳酸二維軌道，將軌道正交組裝后進行疏水化處理，最后通過硅油浸潤可獲得IMOAS。IMOAS傾斜放置，由水平軌道（H-track）和下降軌道（D-track）組成。通過調節水平軌道和下降軌道的相對位置即可實現液滴滑動和穿透模式的轉變。當水平軌道在上時，液滴在IMOAS上表面穩定滑動。當下降軌道在上時，液滴將穿透IMOAS在下表面滑動。這種液滴單向輸運行為可歸因于液滴與不同結構軌道相結合時的微小表面能差異（<1×10-8 J）。各向異性軌道的正交排列使得光滑軌道形成突出結構。IMOAS的潤滑層形成彎曲連續的潤滑油/空氣界面（圖3a）。液滴在IMOAS上存在卡在水平軌道之間和處于下降軌道上兩種位置。當液滴處于水平軌道之間時，液滴與潤滑劑接觸面積明顯增加，導致液滴滑動狀態穩定（圖3b）。即液滴在IMOAS上傾向于在液固接觸面積大的一側滑動。在光滑表面上的液滴的兩種模型中，共同的趨勢是液體和軌道之間的較大接觸面積導致總表面能的成功釋放。
圖3 a.液滴/潤滑劑界面和潤滑劑/空氣界面的輪廓呈彎曲形狀。b.液滴在IMOAS上的兩種位置。
研究人員探究了IMOAS孔徑，傾斜角和液滴大小對液滴單向操縱的影響，還展示了IMOAS在液滴操縱方面的幾個潛在應用，包括霧水收集中的微小液滴控制和液滴陣列的自規操控等。本項工作受國家自然科學基金、天津市青年人才托舉工程等項目資助。(Adv Funct Mater, 2019, 1904446)
論文鏈接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201904446
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