香港城大曹之胤教授最新AM: 轨道电润湿开启液滴操控新范式

纳米人

2026-05-20

近日，香港城市大学能源及环境学院曹之胤教授团队联合香港理工大学王钻开教授、大连理工大学姜东岳教授，在国际知名期刊Advanced Materials发表题为“Orbital Electrowetting: From Continuous Droplet Transport to Programmable Microfluidics”的Perspective 论文。该论文系统总结并展望了新兴液滴操控技术轨道电润湿，即Orbital Electrowetting, OEW。论文作者包括香港城市大学博士后谭杰、都家宇、吕东、高毅奎，大连理工大学姜东岳教授，香港理工大学王钻开教授，北京科技大学刘文杰和香港城市大学曹之胤教授。姜东岳教授、王钻开教授和曹之胤教授为共同通讯作者。

液滴在固体表面的精准操控是微流控、热管理、水收集、生物检测和能源系统中的关键技术。传统电润湿技术具有结构简单、响应快和可编程性强等优势，已广泛应用于数字微流控、液体透镜和芯片实验室等领域。然而，传统电润湿通常依赖大量独立寻址电极，通过逐个电极依次开启和关闭来驱动液滴运动，因此在长距离输运、高通量并行操作和复杂微流控网络中，容易面临电极数量多、布线复杂和控制系统庞大等问题。

轨道电润湿为解决上述问题提供了新的思路。与传统电润湿的“逐步式”液滴运动不同，轨道电润湿通过非对称电润湿力和静电能量梯度，驱动液滴沿预设轨道实现连续、高速和稳定运动。该方法仅需极少数量电极和简单全局激励，即可完成长距离液滴输运，从而显著降低电路复杂度，并提升液滴操控效率。

图1 基于电润湿的微流控技术

论文指出，轨道电润湿的性能主要受表面润湿性、电场分布和轨道几何结构调控。在双尺度超疏水表面上，液滴具有极低黏附和超低摩擦特性，可实现快速连续输运。相关研究显示，轨道电润湿在该表面上可实现约210 mm/s的液滴运动速度，约为传统电润湿输运速度的5倍，并可完成复杂轨迹转弯、抗重力爬升和超过1000次连续循环稳定运行。

图2 超疏水表面上的轨道电润湿

除超疏水表面外，轨道电润湿还可拓展至油浸润表面，即SLIPS。该类表面具有低黏附和抗污染特性，适用于生物液体和复杂样品操控。研究表明，轨道电润湿在SLIPS表面上可实现人工血液、蛋白溶液、乙醇、表面活性剂溶液、强酸强碱溶液和高浓度盐溶液等多种液体的稳定输运，液滴体积范围覆盖0.5 μL至1.0 mL，速度可达120 mm/s。同时，SLIPS中的速度相关阻力有利于液滴精准停止和定位，为未来数字微流控操作提供了重要基础。

图3 油浸润表面上的轨道电润湿

通过轨道结构设计，轨道电润湿不仅可以实现液滴输运，还可实现液滴合并、分裂、混合、多通道传输和垂直爬升等基础微流控操作。这表明轨道电润湿有望从单一液滴输运技术进一步发展为面向可编程微流控的平台技术。论文同时指出，当前轨道电润湿仍处于发展初期，现有体系主要实现单向输运。未来若要应用于复杂微流控网络，还需要进一步实现双向运动、位置分辨控制、多轨道集成和长期稳定运行。为此，论文提出了夹层式双向轨道电润湿芯片和开放表面反向轨道设计等潜在方案，为构建可编程轨道电润湿微流控系统提供了方向。

除微流控外，轨道电润湿还具有广阔的应用前景。论文展望了其在光伏表面除雾与自清洁、冷凝传热强化、大气水收集和水-能协同系统中的应用潜力。特别是当轨道电润湿与被动辐射冷却表面结合时，有望实现冷凝液滴的主动输运和高效收集，为未来绿色能源和水资源利用提供新策略。

图4 轨道电润湿技术展望

总体而言，该Perspective论文系统梳理了轨道电润湿的物理机制、结构设计、材料平台和应用前景。轨道电润湿以连续高速输运、低布线复杂度和良好平台兼容性为特点，有望成为传统电润湿的重要补充，并为下一代微流控、热管理和水-能技术提供新的发展路径。