對于生物化學分析、藥物檢測分析等領域而言，非接觸的可控液滴輸運至關重要。液滴定向輸運技術，通常依賴表面梯度驅(qū)動或外部刺激等方式實現(xiàn)。其中，基于電場的微流控技術由于具有運輸速度快、響應時間短的優(yōu)點而備受學界關注。然而，目前大多數(shù)液滴控制技術只能支持液滴在二維表面的面內(nèi)傳輸，無法實現(xiàn)具有高可控性和高靈活性的面外輸運。其主要原因在于大多數(shù)技術通過對液滴施加牽引力來驅(qū)動液滴，對基底的支撐有很強的依賴性。

對于現(xiàn)有的液滴面外輸運技術，大多依靠強大的排斥力發(fā)射液滴。但是，受制于技術的局限性，無法實現(xiàn)全向輸運和液滴的連續(xù)彈跳。光具有極強的調(diào)控性，利用光作為激勵源能夠極大地提升液滴操控技術的靈活性，從而實現(xiàn)液滴的各種復雜輸運。

基于此，河北工業(yè)大學研究團隊將摻鐵鈮酸鋰晶體襯底與超疏水表面相結(jié)合，借此設計了一種液滴三維路由器。利用光伏效應與摩擦電效應所激發(fā)的吸引靜電力或排斥靜電力，課題組提出了多種液滴輸運模式。并引入激光打標系統(tǒng)，實現(xiàn)了例如偏轉(zhuǎn)方向/定點捕獲、多液滴并聯(lián)/單液滴級聯(lián)、二維平面/三維自由空間等多種可編程性輸運模式。

對于相關論文，審稿人表示：“作者展示了一種巧妙且有效的方法，通過結(jié)合摩擦電效應和可編程光響應材料來操控帶電液滴?！蓖ㄟ^光電效應施加排斥力去實現(xiàn)液滴的面外彈跳，效果非常顯著。

詳細來說，三維液滴路由器可以實現(xiàn)液滴多維全向輸運，利用激光打標系統(tǒng)構(gòu)建多個光照響應區(qū)，能夠在自由空間內(nèi)編程單一或多個液滴的運動軌跡，構(gòu)建液滴輸運的虛擬“立交橋”。借此幫助液滴跨越障礙物并引導至目的地，可以大幅提升操控效率。通過調(diào)制光束精準遙控各種溶液的微液滴，能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸的生化分析，避免與有毒有害流體直接接觸，降低分析人員受到毒害風險的概率。此外，在封閉腔室內(nèi)遙控液滴，可以減少目標液滴在操控過程中受到污染的幾率。

總的來說，三維液滴路由器具有全向且無損的輸運液滴的能力。這不僅在醫(yī)療檢測和生化分析等領域具有重要意義，而且在軟體機器人、防冰凍以及微流控加工制造等領域具有廣闊應用場景。

日前，相關論文以“3D Multimodal, omnidirectional router of aqueous microdroplets based on the synergy of photovoltaic and triboelectric effects”為題發(fā)在Nano Energy期刊上。米宇航是第一作者，河北工業(yè)大學閻文博教授擔任通訊作者。

目前，課題組正在思考如何調(diào)制光伏電場實現(xiàn)微液滴在自由空間內(nèi)的穩(wěn)定懸浮輸運，控制液滴的高度和運動速度，讓其如同“FlappyBird”一般精準控制液滴穿越障礙物。同時，該團隊計劃引入實時反饋系統(tǒng)，對液滴運動軌跡進行實時監(jiān)測，及時調(diào)整激光掃描方案，實現(xiàn)微液滴的受控飛行和精準制導。此外，后續(xù)其還將研究如何調(diào)節(jié)輻照方式實現(xiàn)液滴不同比例和不同子液滴數(shù)量的精準分離，助力于微量生化分析技術的發(fā)展。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109509



審核編輯：劉清