根据衔接的三维多面体结构完成可编程的液体操作

  研究员课题组和电子科技大学（深圳）高级研究院杨军教授课题组携手提出了一种共同的超超资料（Beyond Metamaterial），打破了人们对资料的传统认知。这种超超资料由衔接的三维多面体结构（CPFs）组成，其间每一个结构均可灵敏地完成可逆切换的液体开释或捕获，该功用独立于结构的资料组成、结构，以及所处理的液体，而仅取决于结构之间的液体连续性。CPFs的这种特性，突破了现有液体操作技能的许多瓶颈，完成了包含可编程的三维液体结构化、多元流体三维图画化，多种物质浓度的三维时空操控、三维液体阵列封装，以及大规模多元流体的可编程操控等史无前例的液体操作功用。

  人类文明在很大程度上依赖于准确处理液体的才能。液体捕获和开释之间的切换在处理各种液体方面起着决议性的效果，许多运用要求对液体进行可逆、空间和时间准确、体积准确和可编程的操控，而不受所用固体东西和处理液体细节的影响。但是，现在的流体操控技能并不能彻底满意这些要求。为此，作者提出了衔接的多面体结构，经过调控结构之间的液体连续性来决议单个结构的液体捕获或开释，然后有用地应对这一应战，整个结构网络能够很容易地完成定点、动态和可逆地功用切换。每个结构均可捕获或开释液体，而不受其组成资料、结构和处理的液体的影响。

  CPFs由衔接的多面体结构组成（图 1a、b），这些结构可被处理液体潮湿。当结构从液体中提起时，假如结构标准在处理液体的毛细标准范围内，毛细力战胜重力，然后使结构能够捕获液体。当结构以不同的方法衔接时，呈现了风趣的现象。以水为例，当将CPFs从水中提起时，单杆衔接的结构会捕获并保存水（图 1c）；但是，水会从双杆衔接的结构中排出（图 1d）。因而，单杆衔接上方的结构为捕获器（捕获和保存液体的结构单元），而双杆衔接上方的结构为开释器（开释液体的结构单元）。这种现象能够扩展到CPFs的3D阵列（图 1e、f）。此外，经过规划相应液体毛细标准内的结构标准，可操控液体能够从水溶液扩展到生物液体、水凝胶、有机溶剂、聚合物溶液和硅油等。用其他资料（包含不锈钢、生物相容性聚乳酸（PLA）和聚氨酯（PU））打印的CPF均显示出相应液体的捕获和开释功用。这些发现标明CPFs对不同液体和结构资料具有广泛适用性。

  当CPFs从液体中被提起时，亲液结构供给毛细力来捕获液体，而结构之间的单杆仅起到机械衔接的效果，并不供给结构间液体排出的通道。经过试验、数值模仿和剖析，作者具体地提醒了CPFs的液体开释机理。以立方体结构为例（图 2a），当CPF从液体中被提起时，双杆衔接之间会构成一层液膜，然后将结构中的液体与下方的液体衔接起来（图 2b）。尔后，当结构中的液体上升到临界高度时，结构中就会产生以重力为主导的液体开释。经过进一步试验验证，作者证明了结构之间的液体连续性是决议其开释/捕获功用的要害。经过调理结构之间的液体连续性就能够轻轻松松完成液体捕获和开释的可逆切换：损坏液体连续性能够将开释转变为捕获；相反，树立液体连续性将把捕获转变为开释。有许多方法能完成液体连续性的损坏或创立，例如界面聚合、界面凝胶化、戳破液膜等能够损坏液体连续性；而双杆衔接、液滴-液滴触摸、液膜触摸等能够构建液体连续性。

  可编程三维液体图画化关于生物和化学进程的三维时空操控很重要，但关于现有的流体操作技能具有很大的应战性。作者运用CPFs可切换的液体捕获和开释功用突破了这一技能瓶颈，完成了液体的可编程三维图画化。可编程液体图画化的根本编码原理如图3a、b所示；即双杆衔接之上的开释器记为“0”，单杆衔接之上的捕获器记为“1”。经过规划结构衔接，能够对捕获器和开释器的三维空间摆放进行编程，然后取得方针液体图画（图3c-e）。结合界面凝胶化，作者进一步完成了多元流体的可编程三维结构化，并以多种药物可控开释为例，展现了其在多物质浓度三维时空操控的运用（图3f-j）。结合界面聚合，还完成了简略可行的多资料制作。归功于CPFs对各式各样液体资料的普适性，CPFs可完成多元细胞/细菌培育、3D化学梯度生成和多资料结构制作，用于细胞间通讯、细菌生态学、化学工程和混合生物打印等许多范畴。

  根据可切换液体捕获和开释功用，CPFs可用作多功用界面处理渠道。如图 4a 所示，首要运用CPF阵列将反响液涣散成3D液体阵列，可大起伏的添加流体界面面积以促进界面进程。界面进程完毕后，将捕获切换为开释，能彻底收回涣散的产品液体，可便利产品的浓缩、纯化和检测。该渠道广泛适用于多种多样的气-液和液-液界面进程。以流感病毒检测为例，作者展现了CPFs的高效液体开释功用，可有用处理传统采样东西开释不彻底的问题（图 4b、c）。此外，运用CPFs的液体封装功用完成了有用的细菌封装，极大地提高了微生物的运用率并简化了产品别离进程（图 4d、e）。运用CPFs阵列，能够大规模地完成流体三维结构化，从而完成了高效低能耗的蒸发型加湿器（图 4f）。CPFs还可履行抱负的CO2循环进程，这中心还包含高效的二氧化碳捕获、贮存和再运用（图 4g）。

  总而言之，经过调控CPFs结构之间的液体连续性，可准确操控每个结构的可编程、可切换的液体捕获和开释功用。CPFs供给了一个多功用的流体操作渠道：所操作的液体可承载许多资料和信息，所结构化的液体界面能够强化各种界面进程。此发明将极大地推进界面科学和软资料等许多范畴的开展。（来历：科学网）