液体的自驱动单向流动是微流控芯片领域的研究热点之一，在海水淡化、液体收集、油水分离、生化检测等领域具有广泛的应用前景。然而，传统微流控芯片通常缺乏能够调节毛细力和拉普拉斯压差的微结构，这使得它们在三维空间中实现高效液体定向输运（包括高度、速度和面积）变得困难，从而极大地限制了其实际应用。东南大学顾忠泽教授与刘小将研究员团队前期提出并实现了毛细管晶体管（Adv. Mater. 2024, 36, 2310797）概念，成功地解决了这一问题，其能够程序化调节毛细流动的方向、高度和宽度，并充当毛细流动的开关/阀门以及放大器/衰减器，因此可以开辟新的应用领域。
近期，该团队在毛细管晶体管的基础上取得了进一步突破。他们采用黑色树脂作为3D打印材料，成功制备了非对称、互连的悬空微结构（AOSCO）。该结构不仅实现了快速、远距离、大面积的单向液体输运，其单向毛细高度超过90.0毫米，远超大多数先前研究中的报告值（是其两倍以上），还利用黑色树脂的吸热特性，开发出了一种光热响应的单向液体传输微流控芯片。该研究成果题为“3D Capillary Transistors for Photothermal-Responsive Unidirectional Liquid Transport”，已发表在Advanced Functional Materials期刊（https://doi.org/10.1002/adfm.202416593）。
图1三维毛细晶体管的设计、制造以及乙醇毛细爬升性能研究。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）。
图2 毛细晶体管可实现液体三维定向传输。比例尺：5 mm（a–f）；1 cm（h）。
图 3 利用光热效应控制液体的单向传输。比例尺：1 cm（b，d，f）；500 μm（e）。
该结构设计充分利用了树脂的收缩效应，成功防止了长悬空结构中各层之间的分离，从而使其适用于更广泛的树脂材料及更多类型的光聚合3D打印机。结合AOSCO中的毛细管晶体管效应和黑色树脂的吸热特性，研究团队使用红外灯作为热源，实现了三维空间中液体的可控毛细爬升，并基于此设计了一种光热响应的微流控芯片，为液体在三维空间中的流动方向和高度提供了可编程控制的新方案。未来，将光热效应等其他外场刺激与毛细管晶体管结合，可能会催生新一代微流控芯片，并为高效、自驱动的液体图案化、海水淡化以及生物化学微反应等应用提供强有力的平台。
该工作由东南大学硕士生刘若渔担任第一作者，硕士生周煜宁为共同第一作者。通讯作者为东南大学顾忠泽教授和刘小将研究员，文章的其他合著者包括南洋理工大学博士生高铭、东南大学博士生史文婉以及硕士生张玉婷。本研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、东南大学启动基金以及东南大学学科交叉青年特支计划的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202416593
