界面流激活的毛细管棘轮用于多功能扭矩生成与微组装

《SCIENCE ADVANCES》：Capillary ratchets activated by interfacial flows for versatile torque generation and microassembly

　　

手性微结构展现出独特的机械、电学和光学特性，但能够精确控制单向旋转的可靠方法仍然有限。先前的研究人员开发了“毛细管机器”，这是一种具有中空通道的宏观机器，利用界面毛细力将微尺度导线编织成特定的拓扑结构。本文报道了一种依赖于流速的通用棘轮机制。在高流速条件下，界面流与毛细力之间的相互作用产生了漂浮物体稳健的单向旋转。模拟显示界面流取决于驱动方向，从而观察到了滞后现象。利用这一原理，研究人员成功地将多根微米线编织成层次化扭曲的束，而无需引入破坏性的扭转。通过将界面流体动力学与几何设计相结合，这种方法为制造精细的手性结构建立了一种可扩展的策略，为界面介导的微组装开辟了变革性的范式。

### 论文解读：界面流激活毛细管棘轮用于多功能扭矩生成与微组装

#### 研究背景与意义
在生物学、物理学和工程学领域，受控的单向旋转生成是许多基本过程的基础，例如细菌通过鞭毛推进、病毒基因组通过分子马达包装以及发动机的工作循环。近年来，利用外部能量精确控制微纳机器单向旋转的研究兴趣激增。界面为这种能量转换提供了一个天然平台，因为它通过钉扎效应将物体的运动限制在二维平面内。通过施加不平衡的面内力，可以产生扭矩。

尽管已经开发出多种界面策略来产生单向旋转，例如通过催化反应产生气泡或表面活性剂溶解产生马兰戈尼流的化学方法，以及使用电场、光场、磁场和波的物理方法，但这些方法往往存在控制困难、需要复杂装置或受限于反应物消耗等问题。毛细力作为一种随接触线长度线性缩放的重要驱动力，长期以来被用于跨尺度的操作和组装。然而，如何实现高效、可控且可扩展的单向扭矩生成，特别是在微尺度上，仍然是一个挑战。

#### 研究方法概述
本研究旨在通过演化的边界施加排斥性毛细力，以动态编程的方式操控漂浮物体。为此，研究人员设计了具有垂直方向边界形状变化的空心通道装置，并利用3D打印技术制造。该装置被置于水浴中，通过控制漂浮物的润湿性，在边界与漂浮物之间产生排斥性毛细力，从而决定漂浮物的位置和方向。通过电动驱动装置对设备进行垂直驱动，使弯月面在通道内移动并改变其形状，从而产生动态的排斥性毛细力来移动漂浮物。研究核心在于探索高驱动速度下，界面流如何打破时间反演对称性，从而激活毛细管棘轮效应。研究采用了实验观测与有限元分析相结合的方法。实验上，通过高速摄像跟踪漂浮物的旋转角度，系统研究了驱动速度、漂浮物形状与尺寸、通道几何设计等因素对棘轮效应的影响。模拟方面，利用相场法求解Navier-Stokes方程和Cahn-Hilliard方程，模拟了设备垂直运动时通道中心液/气界面的动态演化，揭示了界面流场的滞后特性。此外，还通过静态能量模拟分析了漂浮物与通道边界之间的毛细力相互作用能垒。

#### 研究结果
**1. 将垂直通道运动转化为平面漂浮物运动**
研究人员设计了一种具有风车形横截面的螺旋通道装置，其横截面沿垂直中心线旋转180°。当将具有相同风车形横截面的漂浮物置于空气-水界面时，其平衡方向与通道壁对齐。通过垂直驱动装置，可以编程式地旋转漂浮物。在低驱动速度下，漂浮物表现出准静态行为，可逆地旋转接近180°。

**2. 由界面流激活的毛细管棘轮**
当驱动速度提高到4800毫米/分钟时，出现了棘轮效应（即一个循环内的净旋转）。时间反演对称性被打破：在设备上升行程中，漂浮物旋转出现“过冲”，旋转接近360°，超过了通道180°的螺旋设计；而在下降行程中，旋转出现“欠冲”，振荡但无净旋转。速度是控制状态转变的关键，实验观察到在速度超过1600毫米/分钟时，从可逆行为向棘轮行为的清晰转变。通过分析雷诺数（Re）、韦伯数（We）和毛细数（Ca）等无量纲数，研究人员将这种转变归因于惯性力与毛细力相对强度的变化。在高速度下，韦伯数接近1，惯性力作用显著，螺旋通道结构促进了界面二次流，从而帮助系统在韦伯数小于1时克服表面张力效应。

**3. 界面流模拟**
为深入理解棘轮效应的起源，研究人员进行了流体动力学模拟。模拟结果显示，在上升行程中，界面中心会产生一个逆时针涡流，这与观察到的“过冲”现象一致；而在下降行程中，界面流集中在四个角落，中心部分流速近乎为零，这与“欠冲”现象相符。模拟揭示了流场存在径向变化，这通过测试不同直径的圆形漂浮物得到了实验验证：旋转角度随直径增大至10毫米而增加，之后下降，这与模拟中观察到的10毫米内主要涡流占主导的流场特征定性吻合。

**4. 流激活毛细管棘轮机制的普适性**
研究表明，棘轮效应并不局限于风车形通道和漂浮物。研究人员测试了具有不同旋转对称性（从无限高对称性的圆形，到C4对称性的方形和风车形，C3对称性的三角形，以及C2对称性的矩形和轨道形）的漂浮物在风车形通道中的行为。在所有情况下，只要驱动速度足够高，都能观察到棘轮效应，但净旋转角度高度依赖于漂浮物的形状，其中圆形漂浮物显示出最大的累积旋转。同样地，研究人员也测试了不同横截面形状的通道（包括圆形、三角形、轨道形、矩形和风车形）对风车形漂浮物的驱动效果。除圆形横截面通道外，其他形状的通道均能产生显著的棘轮效应。这证明螺旋通道设计对于产生棘轮至关重要。研究还通过微型化实验，将机制成功应用于直径2毫米的3D打印圆形漂浮物和尺寸为131微米 × 272微米的硅长方体，证明了该机制可扩展至微米尺度。

**5. 用于微编织的扭矩生成**
研究人员建立了一个通过分析漂浮物运动来估算扭矩输出的工作流程。计算表明，该机制产生的最大扭矩在10^-8 N·m量级，介于宏观直流电机（10^-2 至 1 N·m）和生物鞭毛马达（10^-18 N·m）之间。利用这种扭矩，研究人员演示了微米线的分层扭曲应用。他们首先将四根丝素蛋白纤维逆时针扭曲形成一级（L1）束，然后将四个L1束附着在一个漂浮物上，再顺时针扭曲形成二级（L2）束，从而成功制备了4×4的分层扭曲结构。该棘轮具有自限性，当扭曲进行到一定程度，纤维中积累的机械应力与扭矩输出平衡时，旋转会达到平台期，这有助于防止过度扭曲或纤维损伤。

**6. 集成棘轮实现分层微编织**
为了进一步控制微结构，研究人员在一个设备中集成了多个功能段，并通过编程的垂直运动在时间上顺序激活它们。作为一个演示，他们设计了一个用于分层扭曲的集成设备，该设备包含用于L1逆时针旋转的两个顶部通道、一个合并通道以及用于L2顺时针旋转的一个底部通道。使用两个嵌有磁性珠的矩形漂浮物，该设备成功实现了2×2丝素蛋白纤维束的分层扭曲，首先在L1区域循环驱动使每对纤维扭曲，然后提升设备使两个漂浮物合并，最后在L2区域循环驱动完成最终扭曲。

#### 讨论与结论
本研究展示了一种由界面流激活的毛细管棘轮。在低驱动速率下发生可逆行为，而在高驱动速率下，当漂浮物仍处于同一通道内时，时间反演对称性被打破。通过实验和有限元分析，揭示了界面流在对称性破缺中的关键作用。该机制的普适性已通过将漂浮物和通道设计推广到除圆柱形通道外的各种形状得到证实。

这种流激活的毛细管棘轮的独特之处在于，它仅使用移动的界面来控制漂浮物的旋转对称性破缺。漂浮物和通道壁不直接接触，而是通过弯月面相耦合。因此，研究人员对所操控的漂浮物具有极大的灵活性：它们可以采用各种材料、形状和尺寸。

基于此理解，研究人员展示了利用产生的扭矩在微尺度上输出功的能力，为所有微尺度编织应用提供了一种通用、高效且绿色的解决方案。除了丝纤维，该方法原则上可以将任何纤维材料编织成分层扭曲结构。通过在微米或亚微米尺度使用导电组件线，可以制造在数据中心服务器间高带宽低损耗互连中具有重要实际意义的微米或纳米编织线（微/纳米利兹线）。这种普适性也使得该方法在编织多功能手术缝合线和人造肌肉方面特别有吸引力。研究人员估计了该现象产生的扭矩，可以指导未来的应用。例如，可以设想从束结构（如螺距、纤维直径和拓扑结构）和材料特性（如杨氏模量）来估算制造微束所需的机械功。通过调整通道和漂浮物设计以及驱动速度，可以相应地设计峰值扭矩，以确保自限性地编织出预期的结构。

研究人员也认为他们的方法是毫米到微米尺度上将线性平移转换为单向旋转的通用机制，可应用于扭曲之外的其他领域。这种机制在许多其他应用中具有潜力，例如从波浪能中收集界面能量、液滴微流控中的液滴混合、微尺度样品的流变学测试，或作为微机器和软机器人中的致动器。