在能源、材料、微流控等关键应用领域，如何通过设计特定结构实现液体的单向输运，一直以来都是备受关注的前沿研究方向。与只允许电流单向通过的电子二极管类似，促进液体单向流动而抑制反向回流的结构被称为液体二极管。然而，由于受到空间限制，在封闭管道内设计并制备液体二极管结构是极具挑战性的。近日，力学所超常环境非线性力学全国重点实验室袁泉子研究团队提出了一种基于溶解现象的新策略，成功设计并制备了液体二极毛细管，实现了封闭管道内液体的定向输运。该研究不仅针对溶解导致的接触线失稳现象提出了新的理论模型，而且利用制备得到的液体二极管实现了高效的油水分离，能够为实际工业领域中大规模的油污处理提供理论指导。该工作以“Liquid-Diode Microtubes Sculpted by Dissolution”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

研究团队发现在可溶解的毛细管内，由于毛细效应而爬升的液体会溶解管道，从而导致接触线的周期性失稳，最终将毛细圆管塑造为内部具有棘轮结构的液体二极管。通过观测溶解过程中界面的演化以及液体内部的流动行为，研究阐明了棘轮结构形成背后的物理机制，建立了接触线失稳的能量判定准则，进而提出了描述棘轮结构的标度关系。在此基础上，通过高纯度铜的电解反应，获得了内部具有周期性棘轮结构的毛细铜管道。基于毛细铜管道表现出的液体二极管效应，研究团队进一步设计了油污处理装置，实现了多种油水混合物的高效分离。该方法具备规模化生产的潜力，有望实现高通量的油水分离过程，为工业生产中的油污处理方案提供了新的思路。

该项研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.5c12626

图1. 液体二极管的形成以及特性说明。(A) 溶解导致的接触线失稳将毛细圆管塑造为内部具有周期性棘轮结构的液体二极管；(B, C) 液体二极管的定向输运特性。毛细管内只允许液体从宽端流向窄端，当流动方向相反时，棘轮结构阻碍液体流动

图2. 基于液体二极管特性设计的油水分离实验。(A) 油水分离实验装置，两个方向相反的液体二极管被安装在容器底部；(B) 油水分离过程实验拍摄；(C) 液体二极管实现的多种油水混合物的分离效率