可控多向液体扩散的体块尖 cusp 微结构

在无泵情况下引导微小液滴

在没有马达、泵或电力的情况下，让液体精确地流向我们想要的位置——这可能改变我们为电子设备散热、为机械润滑以及在芯片上运行化学检测的方式。本研究提出了一种简单的平面表面图案，可利用表面张力的自然拉力，将单个液滴同时在多达四个不同方向上引导移动。

充当交通指挥的平面表面

研究人员设计出一种新的微观地形，称为体块尖（bulk-cusp）微结构，蚀刻在硅片上。乍看之下，它呈现为重复排列的小十字或方块图案，每个单元周围都有锋利的齿状尖端（“尖 cusp”）。当水滴落在这种表面上时，它不会简单地扩散成圆形。相反，根据这些十字或方块的排列方式，液滴可以被拉伸向一、二、三或四个特定方向——或保持原位。关键是，所有这些都不需要外部能量：液体由毛细力牵引，这与水被纸巾吸起的原理相同。

两个隐藏角色：主液滴与其薄前驱膜

为理解这种行为，团队将可见的液滴“主体”与在其前方悄然蔓延的超薄“前驱膜”区分开来。对于十字形图案，尖端之间的开放通道较宽且互相连通，因此这层薄膜可以覆盖较大区域。随着其推进，它降低局部的接触角，从而沿选定方向牵引主液滴主体前进。而在方形图案上，开放区域更小且更零散，薄膜仍会移动，但牵引液滴主体的能力较弱。因此，在方形 cusp 表面上，前驱膜可以被引导移动，而主液滴则几乎被钉在原地。

几何如何将表面张力转化为定向力

高速显微成像和计算机模拟显示，关键在于尖 cusp 如何改变液体内部的压力。相邻尖端之间的狭窄间隙像微小的漏斗：表面张力将前驱膜从窄端拉向宽口，产生净向前的力。同时，尖 cusp 的锐利外缘在相反方向上钉住液体，防止其向后滑动。通过精心选择这些尖端的角度和间距，作者总结出简单的设计规则，指出何时薄膜会向前移动、何时会被固定。他们还测试了水-醇混合物和各种油类，结果表明表面张力主要决定液体能被引导多远，而黏度主要决定其移动的速度。

从润滑轴承到更冷的芯片

研究团队展示了两个实际应用。首先，他们将十字 cusp 图案布置在滑动金属接触件的周围，但不直接位于接触处下方。当加入水作为润滑剂时，该图案会持续将液体从外部区域拉入接触区，与光滑表面相比，可将摩擦减少约 35%，甚至优于许多先进涂层和添加剂。其次，他们在加热板上使用方形 cusp 图案。单个微小液滴在整个图案区域铺展成薄膜并随后蒸发，带走热量。红外成像显示，与裸板或没有 cusp 的图案板相比，这种表面冷却得更快、更均匀且能达到更低温度，即便在反复滴加液滴的情况下亦然。

更聪明液体控制的简洁图案

通俗地说，这项工作展示了如何用巧妙设计的微观“道路”在没有泵、电力或运动部件的情况下引导液滴和薄液膜。仅通过调整图案——十字与方形及其尖端的朝向——相同的表面概念既可将润滑剂推入难以触及的接触处，也可将冷却剂均匀地铺展在热点上。由于该设计是平面的并且兼容标准的芯片制造工艺，它为未来冷却系统、微流体器件和低磨损机械元件中智能、无能耗的液体控制提供了一条实用路径。

引用: Dai, S., Zhang, H., Liu, Y. et al. Bulk-cusp microstructure for controllable multi-directional liquid spreading. Nat Commun 17, 1519 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-025-68237-8

关键词: 液体扩散, 微结构表面, 毛细力, 润滑, 蒸发冷却