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

針對上述問題，北京大學(xué)集成電路學(xué)院、微米納米加工技術(shù)全國重點實驗室、集成電路高精尖創(chuàng)新中心王瑋教授團(tuán)隊聯(lián)合新加坡國立大學(xué)Chwee Teck Lim教授團(tuán)隊，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)下對流場模式的調(diào)控規(guī)律。研究團(tuán)隊采用脈沖方波與無偏方波激勵，結(jié)合粒子圖像測速，系統(tǒng)識別出四種典型流動模態(tài)，理論與實驗高度吻合。實驗結(jié)果表明，氧化層邊緣的流動分離是決定流場模式切換的關(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)電潤濕的典型流場模式

基于上述機(jī)理，研究團(tuán)隊進(jìn)一步構(gòu)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(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，實現(xiàn)了多路徑、多方向的流體邏輯切換與流場拓?fù)渲貥?gòu)；基于無偏方波激勵，實現(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)電潤濕技術(shù)在復(fù)雜流場編程中的潛力，且無需依賴任何機(jī)械移動部件。與傳統(tǒng)驅(qū)動方式相比，該研究提出的方法具有低壓驅(qū)動、流速可調(diào)范圍廣、多模式實時切換、兼容開放與封閉系統(tǒng)以及長期穩(wěn)定性好等顯著優(yōu)勢，為下一代智能、可重構(gòu)的片上流體系統(tǒng)奠定了堅實基礎(chǔ)。

圖2 基于脈沖方波激勵的液態(tài)金屬連續(xù)電潤濕流場編碼

圖3 基于無偏方波激勵的液態(tài)金屬連續(xù)電潤濕流場編碼