基于光伏效應(yīng)和摩擦電效應(yīng)的液滴三維路由器，可用于醫(yī)療檢測

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

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

基于此，河北工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將摻鐵鈮酸鋰晶體襯底與超疏水表面相結(jié)合，借此設(shè)計(jì)了一種液滴三維路由器。利用光伏效應(yīng)與摩擦電效應(yīng)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(yùn)模式。并引入激光打標(biāo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了例如偏轉(zhuǎn)方向/定點(diǎn)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(yùn)模式。

對于相關(guān)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(yīng)和可編程光響應(yīng)材料來操控帶電液滴?！蓖ㄟ^光電效應(yīng)施加排斥力去實(shí)現(xiàn)液滴的面外彈跳，效果非常顯著。

詳細(xì)來說，三維液滴路由器可以實(shí)現(xiàn)液滴多維全向輸運(yùn)，利用激光打標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)建多個(gè)光照響應(yīng)區(qū)，能夠在自由空間內(nèi)編程單一或多個(gè)液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，構(gòu)建液滴輸運(yùn)的虛擬“立交橋”。借此幫助液滴跨越障礙物并引導(dǎo)至目的地，可以大幅提升操控效率。通過調(diào)制光束精準(zhǔn)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(fēng)險(xiǎn)的概率。此外，在封閉腔室內(nèi)遙控液滴，可以減少目標(biāo)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(yùn)液滴的能力。這不僅在醫(yī)療檢測和生化分析等領(lǐng)域具有重要意義，而且在軟體機(jī)器人、防冰凍以及微流控加工制造等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用場景。

日前，相關(guān)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(xué)閻文博教授擔(dān)任通訊作者。

目前，課題組正在思考如何調(diào)制光伏電場實(shí)現(xiàn)微液滴在自由空間內(nèi)的穩(wěn)定懸浮輸運(yùn)，控制液滴的高度和運(yùn)動(dòng)速度，讓其如同“FlappyBird”一般精準(zhǔn)控制液滴穿越障礙物。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃引入實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，對液滴運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)調(diào)整激光掃描方案，實(shí)現(xiàn)微液滴的受控飛行和精準(zhǔn)制導(dǎo)。此外，后續(xù)其還將研究如何調(diào)節(jié)輻照方式實(shí)現(xiàn)液滴不同比例和不同子液滴數(shù)量的精準(zhǔn)分離，助力于微量生化分析技術(shù)的發(fā)展。

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



審核編輯：劉清