几何诱导的多孔晶格结构毛细上升与定向流动

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Geometry-Induced Capillary Rise and Directional Flow in Porous Lattice Structures

　　

精确调控多孔介质中毛细驱动液体输运是微流控、集水及仿生系统中众多界面过程的核心基础。传统随机多孔材料因结构异质性导致流动行为随机且不可重复。研究人员假设具有明确几何构型的三维有序晶格，特别是体心立方(BCC)晶格，可通过调控支柱直径、长径比及单胞构型等结构参数实现确定性且可调的毛细上升。为验证该假设，研究人员采用增材制造方法制备了结构参数系统变化的BCC晶格，并在不同几何构型下考察了毛细上升行为。研究人员结合光学与X射线可视化技术阐明了液面推进与弯月面演化过程，并建立了力平衡模型，通过纳入晶格内的粘附效应与重力效应预测最大上升高度。研究发现几何周期性与不对称性强烈主导界面输运行为：更大的支柱直径与更致密的晶格阵列通过提高拉普拉斯压力与扩展液固接触周长增强了毛细上升高度；多胞构型促进了弯月面协同合并与三角形润湿前缘，实现了可预测且各向异性的流体传播；此外，具有不对称支柱分布的梯度构型晶格可利用水力阻力的空间差异实现被动定向液体输运。这些发现将经典毛细理论拓展至有序三维多孔网络，揭示了几何构型作为可编程、高能效流体与界面系统设计关键参数的潜力。

该研究针对随机多孔材料结构异质性导致的流动不可控与不可重复问题，以体心立方(BCC)有序晶格为对象，系统探究几何参数对毛细上升行为的调控机制。研究人员通过增材制造制备了支柱直径、长径比及阵列规模可控的BCC晶格，结合实验观测与力平衡建模，揭示了从单晶胞到多晶胞阵列的毛细上升规律，并进一步利用几何不对称性实现了无外场驱动的定向流体输运。研究证实几何构型可定量决定毛细上升高度、速度与润湿模式，为微流控、集水及仿生界面系统的设计提供了新范式。相关工作发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。

关键技术方法方面，研究人员采用数字光处理(DLP)三维打印制备BCC晶格样本，通过氧等离子体处理与聚乙烯醇(PVA)涂层实现稳定亲水改性；利用同步辐射X射线显微计算机断层扫描(μ-CT)表征湿润状态下的三维微观结构；结合高速光学成像记录动态毛细上升过程；建立考虑周期性接触周长变化的力平衡模型预测最大上升高度；并通过垂直与横向梯度晶格构型实验验证几何不对称性对定向输运的调控作用。

研究结果部分，首先在“仿生设计与有序多孔结构表征”中指出，受树木木质部高效输水启发设计的BCC晶格经亲水改性后，粗糙表面接触角降至20.8°±4.7°，符合Wenzel润湿模型，表面能改变而非几何变化是亲水性增强的主因。其次，“几何参数对毛细上升的影响”表明，支柱直径增大与长径比增加均显著提升毛细上升高度与速度，早期阶段重力影响可忽略导致速度差异较小，后期重力抵消毛细力使差异凸显，该规律在单柱与双柱构型中一致。第三，“最大毛细上升高度”部分通过建立力平衡模型，推导出最大上升高度公式h=πDγcosθ/[ρgL₁L₂(1-φ)sinα]，其中D为支柱直径，γ为表面张力，θ为接触角，ρ为液体密度，g为重力加速度，L₁、L₂为单胞宽深，φ为相对密度，α为对角支柱与水平面夹角；模型预测与实验吻合良好，证实增大支柱直径通过增加接触周长与降低孔隙率共同提升上升高度，而增大长径比则因接触周长减小产生相反效果。第四，“多胞结构中的毛细上升”发现多胞阵列中相邻晶胞间形成协同弯月面，产生额外粘附力并减小曲率半径以提高拉普拉斯压力，使上升高度超过单晶胞预测值；随着阵列扩大，内部协同效应占比增加但重力累积最终导致高度饱和。第五，“基于结构参数的毛细上升模式分析”揭示BCC晶格内呈现“中心优先、外围滞后”的三角形阶跃式上升模式，区别于随机介质的混沌前缘；单晶胞内底部因几何收缩导致曲率半径减小、拉普拉斯压力升高而加速填充，顶部因多路径汇流产生瞬时加速；通过调控支柱夹角α与β可实现单向垂直上升或多向扩散的流动模式切换。第六，“BCC结构中的定向流体输运”证实垂直梯度晶格可产生非对称上升动力学：底部大支柱的BCC_reverse构型初始上升快但最终高度低，底部小支柱的BCC_forward构型初始慢但最终更高；横向密度差异引导流体优先浸润高致密区域，不对称构型可使两液界面发生倾斜偏移，界面迁移方向始终指向低水力阻力区域。

讨论与结论部分强调，该研究建立的几何调控框架将经典毛细理论拓展至三维有序多孔网络，阐明晶格几何通过拉普拉斯压力与渗透率的空间分布决定流动方向性。未来通过引入分级结构、多材料或刺激响应组分，可实现流体输运的动态调控，在微流控无泵驱动、太阳能蒸发集水等能源环境技术领域具有重要应用前景。