开放式微流控技术利用毛细力驱动液体实现自发流动，显著降低了微流控系统的复杂度。通常在开放式微流控设备中，需要微流控阀来控制流体。然而现有的毛细阀难以实现对液体流动的编程控制，这限制了复杂开放式微流控系统的构建。近日，北航机械学院仿生与微纳系统团队张鹏飞教授课题组受生物启发，提出了液体二极管阀（LDV）概念，LDV利用非对称毛细效应实现单向流动及反向固定，若采用磁性材料制成，可进一步在开放式系统中对多种液体的流动进行主动控制（图1），相关成果“Bioinspired Liquid Diode Valve Enables Programable Control of Liquid Flow in Open-channel Microfluidics”发表于权威期刊《Advanced Functional Materials》上。

图1 仿生二极管阀的概念性设计

作者借鉴猪笼草口缘各向异性微腔结构，并将其简化为“门型”不对称立柱。研究首先表征并分析了微阀控制流体正向流动、反向自动钉扎，以及由阀芯偏转驱动的反向流动的机理。实验分析了阀门的静态调控规律与阀门结构特征参数的关联：正向流动时，随着流道表面本征接触角q₀增大，液体浸润阀门的时间延长，边缘角b越大，正向流动的临界接触角q_fc越高，实验所得到的临界接触角q_fc与自由能模型高度吻合。通过实验确定反向钉扎的临界接触角q_bc»30°，且对边缘角b与阀门缝宽度w_g不敏感。通过磁偏转，反向钉扎的液体可在0.5 s内突破阀门，实现再次流动。研究表明，通过调节LDV的润湿性、边缘角、取向和主动偏转，可精确的控制液体的流动与钉扎。作者构建AND、OR、XOR、NOT等液体逻辑门，并演示触发阀、延时阀、选择阀等功能（图2）。通过磁场阵列顺序开阀，实现液体的有序混合等功能。

图2 二极管阀对开放式微流控芯片的流体调控

最后，研究展示了利用 LDV进行可控化学反应、通过按需开启LDV对未知化学物质进行即时检测，以及将LDV作为电子元件构建可重构液体电路的应用（图3）。LDV的可调性、可集成性和灵活性将推动可扩展、可编程的开放式微流控系统的构建。

图3 集成二极管阀微流控芯片的应用

综上所述，LDV具备“结构简单、可阵列化、动态可逆、低驱动场”等综合优势，突破了开放式微流控长期缺乏可编程阀的核心瓶颈。有助于构建可扩展、可重构、可穿戴的智能化液体芯片平台，服务于床旁诊断、环境监测、生化筛选及柔性液体电子等领域。

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和航空基金等项目的资助。机械学院2023级博士生刘聪颖为论文第一作者，张鹏飞教授为论文通讯作者。

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