近日，电子信息与电气工程学院微纳电子学系MEMS多元兼容集成制造技术实验室丁桂甫团队在液滴定向输运领域取得进展，相关成果以“High-performance directional water transport using a two-dimensional periodic Janus gradient structure”（二维周期性Janus梯度结构实现液滴高性能定向输运）为题在国际权威期刊《Small Methods》(IF=15.367)以封面论文的形式发表。

论文简介

论文提出了具有终端势阱的周期性Janus梯度结构，实现了液滴的快速、远距离定向输运，且沿程体积损耗极低，提供了一种对液滴定向输运性能全面改进的策略，有望推动微流体、片上化学合成、水收集、传热传质和药物输送等领域的发展。

研究背景

液滴定向输运在物理、化学与生物医学等众多领域具有广泛的应用。自然界的生物体为液滴的可控操纵提供了许多灵感，例如沙漠甲虫背部的Janus润湿性有效地促进了水收集、仙人掌刺的不对称拓扑结构驱动液滴从尖端快速输运至根部、猪笼草口缘表面的周期性微腔结构实现了液滴的连续定向输运。受此启发，研究人员设计了一系列具有润湿性梯度和/或结构梯度的仿生表面，在液滴定向输运方面已经取得了诸多进展。但是现有输运策略往往存在速度与距离的相互制约，兼具快速和远距离定向输运能力的创新结构非常值得探索。

亮点成果

研究团队受沙漠甲虫背部的Janus润湿表面、仙人掌刺的几何梯度结构和猪笼草口缘表面的周期性微腔结构启发，提出了具有终端势阱的2D周期性Janus梯度结构(简称为PJGS)，以克服许多3D液滴输运系统中高沿程阻力和高沿程损耗的缺点，并弥补2D结构在远距离输运方面的不足。液滴在PJGS以超过400 mm/s的平均速度实现了远距离输运，3 μL液滴的归一化输运距离(输运距离/液滴直径)可达23.4，高通量液滴输运的沿程体积损耗低至6.02%，综合优势突出。

仿生表面的设计

液滴在PJGS上的定向输运行为

基于限域效应的灵活运用，PJGS可以有效地调控其受限结构内的液滴输运动力学。超对比润湿性促使液滴表面能快速释放并转化为动能，赋予液滴自身较高的初动量，结合周期性流道多位点区域产生的驱动力，PJGS流道的液膜形成非常迅速。液膜的形成使得固-液相互作用转变为液-液相互作用，极大地降低了流体输运阻力，使后续液滴沿着周期性流道的液膜层快速远距离传输。此外，终端势阱能够持续引导流道中的液滴自发地流向该处以降低自身的表面能，结合势阱边界对液体凸起的钉扎效应，PJGS在高通量液滴输运时表现出超低沿程体积损耗。

液滴定向输运机制

基于PJGS高性能的液滴定向输运，开发了集液滴计量、合并、分裂和快速输运于一体的原型系统，能够在开放表面完成复杂的微流体任务。

开放表面上完成复杂微流体任务

该研究工作受上海微纳集成制造技术平台（20DZ2291300）资助。电院博士生谢东东为论文的第一作者，皇家墨尔本理工大学张宝月博士为共同第一作者，丁桂甫教授为该论文的通讯作者。

丁桂甫团队主页：https://gpmems.sjtu.edu.cn/

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202200812

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