鎵基液態(tài)金屬的連續(xù)電潤(rùn)濕效應(yīng)是驅(qū)動(dòng)毫-微流體的一種高效電驅(qū)動(dòng)方式，僅需約1伏量級(jí)的電壓即可產(chǎn)生每秒數(shù)十倍于液滴體長(zhǎng)的強(qiáng)流場(chǎng)。然而，鎵基液態(tài)金屬在連續(xù)電潤(rùn)濕過程中自發(fā)形成的表面氧化層，長(zhǎng)期以來被視為影響驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性和可控性的干擾因素，其與流場(chǎng)之間的耦合機(jī)制尚不明確，嚴(yán)重制約了液態(tài)金屬連續(xù)電潤(rùn)濕效應(yīng)在毫-微流控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

針對(duì)上述問題，北京大學(xué)集成電路學(xué)院、微米納米加工技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、集成電路高精尖創(chuàng)新中心王瑋教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新加坡國立大學(xué)Chwee Teck Lim教授團(tuán)隊(duì)，通過建立法拉第去極化理論模型，系統(tǒng)揭示了液態(tài)金屬液滴在無/有氧化層覆蓋狀態(tài)下對(duì)流場(chǎng)模式的調(diào)控規(guī)律。研究團(tuán)隊(duì)采用脈沖方波與無偏方波激勵(lì)，結(jié)合粒子圖像測(cè)速，系統(tǒng)識(shí)別出四種典型流動(dòng)模態(tài)，理論與實(shí)驗(yàn)高度吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氧化層邊緣的流動(dòng)分離是決定流場(chǎng)模式切換的關(guān)鍵機(jī)制。在氧化層的介導(dǎo)下，液態(tài)金屬液滴可作為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且持續(xù)的可重構(gòu)流體邏輯的基本單元。

圖1 基于液態(tài)金屬連續(xù)電潤(rùn)濕的典型流場(chǎng)模式

基于上述機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了幾種可編程的毫-微流控平臺(tái)：基于脈沖方波激勵(lì)，在通道網(wǎng)絡(luò)和開放空間中，他們通過集成液態(tài)金屬液滴并控制電極陣列的工作模式，實(shí)現(xiàn)了多路徑、多方向的流體邏輯切換與流場(chǎng)拓?fù)渲貥?gòu)；基于無偏方波激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)了開放/封閉流體環(huán)路的流向與流速調(diào)控。這些器件展示了液態(tài)金屬連續(xù)電潤(rùn)濕技術(shù)在復(fù)雜流場(chǎng)編程中的潛力，且無需依賴任何機(jī)械移動(dòng)部件。與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式相比，該研究提出的方法具有低壓驅(qū)動(dòng)、流速可調(diào)范圍廣、多模式實(shí)時(shí)切換、兼容開放與封閉系統(tǒng)以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等顯著優(yōu)勢(shì)，為下一代智能、可重構(gòu)的片上流體系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖2 基于脈沖方波激勵(lì)的液態(tài)金屬連續(xù)電潤(rùn)濕流場(chǎng)編碼

圖3 基于無偏方波激勵(lì)的液態(tài)金屬連續(xù)電潤(rùn)濕流場(chǎng)編碼