托托科技助力西交大AFM：实现3D毛细液体二极管与智能润滑新突破

近日，西安交通大学现代设计与转子轴承系统教育部重点实验室团队在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“3D Capillary Liquid Diode for Selective Liquid Steering and Smart Lubrication”的研究成果。该研究受生物纤毛和三维棘轮结构启发，首次在封闭微管内构建了倾斜且弯曲的微柱阵列，实现了高达5.4的单向渗透比（正向/反向渗透高度比），并成功应用于选择性液体导向和智能润滑增强。

在这一突破性研究中，托托科技（TuoTuo Technology）的织雀® PL3D-05高精度3D光刻设备为三个关键应用器件的制造提供了核心支撑，助力团队完成了从基础验证到工程应用的关键跨越。

研究背景：突破二维局限，迈向三维可控输运

液体二极管是一种被动式单向液体输运器件，无需外部泵浦，通过界面不对称性（化学 / 几何）实现液体定向流动、抑制回流，在微流控、集水、油水分离、可穿戴设备等领域潜力巨大。

然而，现有设计大多依赖开放表面，一旦液体进入封闭微通道，液-气界面受到管壁严格约束，单向性调控便容易失效。如何设计一种能在受限空间内实现长距离、高对比度单向渗透的三维液体二极管，成为该领域的技术瓶颈。

西安交大团队创新性地在直径2 mm的微管内壁，沿圆周方向布置了倾斜微柱阵列，并进一步引入曲率匹配的弯曲微柱设计，使微柱轮廓与液-气界面的自然曲率吻合。通过系统优化微柱数量、倾斜角和间距，最终将单向性系数K从直柱最优的2.33提升至5.4，提升幅度达133.5%。

图. 弯曲微柱毛细管二极管的结构设计、数值模拟及定向渗透行为。(a) 弯曲微柱毛细管微管示意图，展示实现定向毛细管输运的非对称几何结构。(b) 能量最小化分析所用的简化几何模型。(c) 计算模型的网格划分与边界条件设置。(d) 壁面接触角C10～C60对应的气-液界面平衡弯月面数值模拟轮廓。(e) C30微管中50%乙醇-水溶液在正向与反向放置时渗透过程的高速成像图。(f) 空白微管、直微柱微管与优化后C30弯曲微管的渗透高度及单向性系数K对比。

托托科技高精度3D光刻设备：精准制造，助力三大应用落地

在该研究中，三个面向实际应用场景的完整功能器件，则全部由托托科技织雀® PL3D-05高精度3D光刻设备制备。该设备基于投影微立体光刻技术，能够以微米级精度一体化成型复杂三维内腔结构，无需后期组装，完美匹配了研究中对微细结构保真度、重复性和集成度的严苛要求。

应用一：T形三通液体导向器件

团队构建了三个C30弯曲微柱通道正交连接的T型结构。PL3D-05以5 μm精度加工出曲率引导单元和通道接口，确保液体从不同入口注入后，沿曲率方向指定的支路快速推进，而反向支路因边缘钉扎效应被有效阻断。实现了无源、可编程的定向液体分配，为微流控逻辑芯片和复杂网络化流体操控提供了新范式。

应用二：C10 / C60 双通道分岔筛选器件

研究进一步设计了中央入口连接两条水平分支的器件，分支分别采用C10和C60弯曲微柱几何。PL3D-05的高分辨率使C10与C60的细微轮廓差异得以精确复现，从而产生足够的润湿对比度：纯水（接触角60°）自动流向C10侧，而70%乙醇-水混合物（接触角≈20°）流向C60侧。实现了基于液体自身润湿性的被动式筛选，无需任何外部控制，为生化分析中的样品预分离和试剂路由提供了全新思路。

应用三：自润滑基底（垂直连通孔+内部储油池）

最为突出的应用是智能润滑增强。团队在基板内一体化集成了垂直孔道与下方储油池，孔壁布置C30弯曲微柱。PL3D-05以高精度和优异的机械稳定性，一次性成型了包含储油腔、竖直导油管和弯曲微柱阵列的复杂三维结构。在往复摩擦测试中（10 N、6 Hz、100 000次循环），该结构成功将润滑油从储油池单向泵送至摩擦界面，反向行程阻止回流，形成稳定油膜。相比裸孔样品，弯曲微柱样品的摩擦系数更平稳、磨损深度降低超过50%，长时耐久性大幅提升。这一成果为自润滑轴承、智能滑轨等机械系统的无源润滑管理开辟了新路径。

图. 弯曲微柱阵列在选择性液体导向与智能润滑强化中的应用。(c) 搭载高速相机的往复式摩擦试验机实验装置；该装置可同步监测摩擦行为与润滑剂动态。(d) 自润滑基底中空白孔与填充微柱孔的结构对比；弯曲微柱可形成连续毛细管网络，用于储油与补油。(e) 5 N 载荷、2 Hz 频率下往复滑动测试中摩擦系数变化；含微柱样品摩擦系数更低且更稳定，表明持续润滑效果。(f) 滑动后磨损区域的三维表面形貌及横截面轮廓；含微柱表面磨损痕迹更平整、深度更浅，证实摩擦损伤降低。(g) 摩擦表面润滑剂迁移的高速可视化；含微柱样品中，油液从内部孔隙持续输运至接触区，进而提升摩擦学性能。

托托科技织雀® ：科研级高精度3D光刻设备的优势

超高精度：托托科技提供1 , 2 , 5, 10 μm精度及多精度融合设备，灵活适配不同分辨率需求的科研与工业场景。本研究中使用的是5 μm分辨率的型号设备，分层厚度<5 μm，可制造微米级精细曲面和悬垂结构。

复杂结构一体化成型：无需组装，直接打印内部流道和微柱阵列，避免键合泄露风险。

材料兼容性广：支持多种光敏树脂及陶瓷前驱体，满足不同润湿性和力学性能需求。

快速交付：数小时内完成设计迭代，大幅缩短研发周期。

托托科技持续赋能前沿科研

此次助力西安交通大学团队在《Advanced Functional Materials》发表高水平成果，是托托科技高精度3D光刻设备在微纳流体、仿生材料、智能润滑交叉领域的又一次成功应用。未来，托托科技将继续深耕高精度微纳加工技术，为新材料、微电子、生物芯片、自旋电子学等领域的科研工作者提供更优质的设备与技术支持，携手推动从基础研究到产业落地的创新跨越。

相关研究成果链接：https://doi.org/10.1002/adfm.75947