液體的自驅動單向流動是微流控晶片領域的研究熱點之一，具有廣泛的應用前景，特別是在海水淡化、液體收集、油水分離、生化檢測等領域。然而，傳統微流控晶片通常缺乏能夠調節毛細力和拉普拉斯壓差的微結構，這使得它們在三維空間中實現高效液體定向輸運（包括高度、速度和麵積）變得困難，從而極大地限制了其實際應用。毛細管電晶體（Adv. Mater. 2024, 36, 2310797）概念的提出與實現，成功地解決了這一問題，其能夠程式化調節毛細流動的方向、高度和寬度，並充當毛細流動的開關/閥門以及放大器/衰減器，因此可以開闢新的應用領域。
近期，東南大學顧忠澤教授與劉小將研究員團隊在毛細管電晶體的基礎上取得了進一步突破。他們採用黑色樹脂作為3D列印材料，成功製備了非對稱、互連的懸空微結構（AOSCO）。該結構不僅實現了快速、遠距離、大面積的單向液體輸運，其單向毛細高度超過90.0毫米，遠超大多數先前研究中的報告值（是其兩倍以上），還利用黑色樹脂的吸熱特性，開發出了一種光熱響應的單向液體傳輸微流控晶片。該研究成果題為“3D Capillary Transistors for Photothermal-Responsive Unidirectional Liquid Transport”，已發表在Advanced Functional Materials期刊。
圖1 三維毛細電晶體的設計、製造以及乙醇毛細爬升效能研究。比例尺：30 cm（a，左），2 cm（a，右）；1 cm（b，左），100 μm（b，右）；500 μm（d,e，左），250 μm（d,e，右）。
圖2 毛細電晶體可實現液體三維定向傳輸。比例尺：5 mm（a–f）；1 cm（h）。
圖 3 利用光熱效應控制液體的單向傳輸。比例尺：1 cm（b，d，f）；500 μm（e）。
該結構設計充分利用了樹脂的收縮效應，成功防止了長懸空結構中各層之間的分離，從而使其適用於更廣泛的樹脂材料及更多型別的光聚合3D印表機。結合AOSCO中的毛細管電晶體效應和黑色樹脂的吸熱特性，研究團隊使用紅外燈作為熱源，實現了三維空間中液體的可控毛細爬升，並基於此設計了一種光熱響應的微流控晶片，為液體在三維空間中的流動方向和高度提供了可程式設計控制的新方案。
展望
未來，將光熱效應等其他外場刺激與毛細管電晶體結合，可能會催生新一代微流控晶片，併為高效、自驅動的液體圖案化、海水淡化以及生物化學微反應等應用提供強有力的平臺。
團隊介紹：該工作由東南大學碩士生劉若漁擔任第一作者，碩士生周煜寧為共同第一作者。通訊作者為東南大學顧忠澤教授和劉小將研究員，文章的其他合著者包括南洋理工大學博士生高銘、東南大學博士生史文婉以及碩士生張玉婷。顧忠澤教授與劉小將研究員的課題組主要聚焦於以下幾個研究方向：1）高精度3D列印技術；2）微流體晶片；3）人體器官晶片；4）光子晶體檢測技術。本研究得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、東南大學啟動基金以及東南大學學科交叉青年特支計劃的資助。
來源：高分子科學前沿
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