微量液體的輸送及控制對生物、化學及醫學等領域具有重要的應用價值。基于電毛細效應設計的室溫液態金屬液滴微型泵系統對微量流體具有良好的輸送功能，且結構簡單、能耗低、易于操控，因此廣受關注。

流量是反映泵的輸送性能的重要參數。目前的微型泵系統多采用單一的圓柱形泵結構，電壓及溶液濃度等對泵流量（q）的影響機理及量化關系尚不清晰，并且局限于單液滴驅動，限制了泵流量的提升。

為解決上述問題，近日，清華大學吳曉敏教授帶領團隊突破了傳統的液態金屬液滴束縛方式，并提出了多液滴協同驅動的新型液態金屬方體泵系統，明晰了電壓頻率（f）、交流電壓幅值（Vp-p）、直流偏移值（VDC）及溶液濃度（C）等對泵流量的影響機理，實現了泵流量的顯著提升。該成果以“A system for fluid pumping by liquid metal multi-droplets”為題，發表在英國皇家化學會期刊Lab on a Chip上。



圖1 （a）圓柱形泵結構示意圖；（b）方體泵結構示意圖；（c）兩種泵的流量隨交流電壓幅值的變化

圖2 雙液滴方體泵的輸送性能及與單液滴方體泵的對比：（a）雙液滴方體泵的最佳工作頻率區域；（b）雙液滴方體泵與單液滴方體泵流量隨交流電壓幅值的變化及對比；（c）雙液滴泵流量隨交流電壓幅值的變化；（d）雙液滴方體泵與單液滴方體泵的流量隨氫氧化鈉溶液濃度的變化

同時，該研究推導出了各液滴表面溶液的速度表達式以及流量與交流電壓幅值、液滴數量的關系，可更好地為泵的應用提供理論指導。

圖3 各液滴數量下方體泵的流量隨交流電壓幅值的變化

此外，文中展示了多液滴方體泵系統在藥物遞送、化學分析等方面的應用潛力，并突破常規液態金屬泵的固化結構限制，將泵系統分區域模塊化，為泵的設計提供了新的思路，極大提升了液態金屬泵的柔性多空間適用性及規模化應用。

圖4 由液態金屬液滴泵驅動的密閉硅膠軟管內的溶液流動

論文鏈接：

https://doi.org/10.1039/D3LC01017A

審核編輯：劉清