镓基液态金属的连续电润湿效应是驱动毫-微流体的一种高效电驱动方式，仅需约1伏量级的电压即可产生每秒数十倍于液滴体长的强流场。然而，镓基液态金属在连续电润湿过程中自发形成的表面氧化层，长期以来被视为影响驱动稳定性和可控性的干扰因素，其与流场之间的耦合机制尚不明确，严重制约了液态金属连续电润湿效应在毫-微流控系统中的应用。
针对上述问题，北京大学集成电路学院、微米纳米加工技术全国重点实验室、集成电路高精尖创新中心王玮教授团队联合新加坡国立大学Chwee Teck Lim教授团队，通过建立法拉第去极化理论模型，系统揭示了液态金属液滴在无/有氧化层覆盖状态下对流场模式的调控规律。研究团队采用脉冲方波与无偏方波激励，结合粒子图像测速，系统识别出四种典型流动模态，理论与实验高度吻合。实验结果表明，氧化层边缘的流动分离是决定流场模式切换的关键机制。在氧化层的介导下，液态金属液滴可作为实现稳定且持续的可重构流体逻辑的基本单元。
图1 基于液态金属连续电润湿的典型流场模式
基于上述机理，研究团队进一步构建了几种可编程的毫-微流控平台：基于脉冲方波激励，在通道网络和开放空间中，他们通过集成液态金属液滴并控制电极阵列的工作模式，实现了多路径、多方向的流体逻辑切换与流场拓扑重构；基于无偏方波激励，实现了开放/封闭流体环路的流向与流速调控。这些器件展示了液态金属连续电润湿技术在复杂流场编程中的潜力，且无需依赖任何机械移动部件。与传统驱动方式相比，该研究提出的方法具有低压驱动、流速可调范围广、多模式实时切换、兼容开放与封闭系统以及长期稳定性好等显著优势，为下一代智能、可重构的片上流体系统奠定了坚实基础。
图2 基于脉冲方波激励的液态金属连续电润湿流场编码
图3 基于无偏方波激励的液态金属连续电润湿流场编码
本研究以“Programmable Milli-Microfluidics via Oxide-Mediated Continuous Electrowetting of Liquid Metal Droplets”为题，发表于《Advanced Materials》，北京大学集成电路学院25届博士毕业生高旭为文章第一作者，北京大学集成电路学院博士后申诗涛、新加坡国立大学生物医学工程系/健康创新与技术研究所Chwee Teck Lim教授、北京大学集成电路学院王玮教授为共同通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202518042
