北京大學團隊在可重構流場編碼領域取得重要進展

鎵基液態金屬的連續電潤濕效應是驅動毫-微流體的一種高效電驅動方式，僅需約1伏量級的電壓即可產生每秒數十倍于液滴體長的強流場。然而，鎵基液態金屬在連續電潤濕過程中自發形成的表面氧化層，長期以來被視為影響驅動穩定性和可控性的干擾因素，其與流場之間的耦合機制尚不明確，嚴重制約了液態金屬連續電潤濕效應在毫-微流控系統中的應用。

針對上述問題，北京大學集成電路學院、微米納米加工技術全國重點實驗室、集成電路高精尖創新中心王瑋教授團隊聯合新加坡國立大學Chwee Teck Lim教授團隊，通過建立法拉第去極化理論模型，系統揭示了液態金屬液滴在無/有氧化層覆蓋狀態下對流場模式的調控規律。研究團隊采用脈沖方波與無偏方波激勵，結合粒子圖像測速，系統識別出四種典型流動模態，理論與實驗高度吻合。實驗結果表明，氧化層邊緣的流動分離是決定流場模式切換的關鍵機制。在氧化層的介導下，液態金屬液滴可作為實現穩定且持續的可重構流體邏輯的基本單元。

圖1 基于液態金屬連續電潤濕的典型流場模式

基于上述機理，研究團隊進一步構建了幾種可編程的毫-微流控平臺：基于脈沖方波激勵，在通道網絡和開放空間中，他們通過集成液態金屬液滴并控制電極陣列的工作模式，實現了多路徑、多方向的流體邏輯切換與流場拓撲重構；基于無偏方波激勵，實現了開放/封閉流體環路的流向與流速調控。這些器件展示了液態金屬連續電潤濕技術在復雜流場編程中的潛力，且無需依賴任何機械移動部件。與傳統驅動方式相比，該研究提出的方法具有低壓驅動、流速可調范圍廣、多模式實時切換、兼容開放與封閉系統以及長期穩定性好等顯著優勢，為下一代智能、可重構的片上流體系統奠定了堅實基礎。

圖2 基于脈沖方波激勵的液態金屬連續電潤濕流場編碼

圖3 基于無偏方波激勵的液態金屬連續電潤濕流場編碼