近日，上海理工大学基础学部物理学院青年教师杨福宝博士与合作者，在流体动力学超构材料领域取得新进展：提出并实验验证了一类基于有效极端黏度各向异性的“类变色龙”流体超构材料，可随背景黏度或背景结构变化保持外部流场无扰动，同时增强核心区域流速。相关研究成果以“Effective Extreme Viscosity Anisotropy Enables Environment-Adaptive and Geometry-Arbitrary Hydrodynamic Metamaterials”为题，在物理学期刊《物理评论流体》[Physical Review Fluids 11, 064101 (2026)]上刊发，上海理工大学基础学部物理学院为该论文的第一单位。
图：Hele-Shaw流体超构聚集器在不同环境下的示意图。背景环境变化后，自由形状超构壳层仍保持外部流场无扰动，并增强核心区域流速。
精准操控液体流动是靶向药物输送、生物医学分析和芯片实验室等应用的重要基础。近年来，流体动力学超构材料为流场隐身、聚集、旋转和多功能切换提供了新路径，但多数被动设计依赖特定背景环境和规则几何。当背景黏度、孔隙结构或器件形状发生改变时，预设参数与环境之间的匹配关系容易被破坏，进而引起压力场畸变和流线偏折，限制了其在复杂动态场景中的应用。因此，能够像变色龙适应外界环境一样随背景变化保持功能稳定的“类变色龙”流体超构材料，成为实现鲁棒液体调控的一条重要思路。
针对上述挑战，该研究从低雷诺数下的Hele-Shaw流动模型出发，利用微通道高度调制和固体屏障设计实现有效极端黏度各向异性。其中，增大径向通道高度可显著降低径向流阻，使径向等效黏度趋近于零；固体屏障可阻断切向流动，使切向等效黏度趋近于无穷大。由此形成的超构壳层性能在数学上与背景黏度解耦，因此能够在环境变化时自动保持外部流场“隐身”。这种随环境改变而保持流体调控功能不变的“类变色龙”响应，使器件既具备环境自适应能力，又可借助变换理论从规则圆形壳层推广至自由形状壳层。
二维和三维有限元仿真表明，在背景黏度变化或背景结构加入周期性柱阵的情况下，该自由形状超构壳层外部区域的压力场和速度场仍与无器件参考系统高度一致，核心区域流速则得到增强。实验中，研究使用甘油和染色墨迹进行流动可视化，在原始背景与加入柱阵后的背景中均观察到外部流线保持平直；穿过核心区域的墨迹前沿运动更快，定量验证了核心流动加速效应。该成果展示了“类变色龙”流体超构材料在复杂环境中的鲁棒调控潜力，有望服务于微流控芯片中的局域混合、分离、液滴生成以及不同黏度液体的协同输运。
论文链接：https://doi.org/10.1103/7r2w-vzyj
