【背景介紹】

       自然界中，生物利用其獨(dú)特的表面結(jié)構(gòu)來定向和自發(fā)地運(yùn)輸液滴。在實際應(yīng)用中，液滴操縱對生物檢測和化學(xué)微反應(yīng)至關(guān)重要。但是，模仿生物靜態(tài)結(jié)構(gòu)的人造被動式液滴操縱表面通常效率低且不可逆。而與之相對的磁響應(yīng)智能形貌（MIT）表面有生物相容性好、瞬時響應(yīng)等優(yōu)勢，在主動式液滴操縱領(lǐng)域備受期待。雖然各種MIT表面已廣泛用于可控的液滴運(yùn)輸，但是它們只能實現(xiàn)單向運(yùn)輸（水平或垂直）。同時，現(xiàn)有的MIT表面仍存在以下不足：（1）MIT表面要實現(xiàn)三維（3D）液滴/多液滴運(yùn)輸仍然具有挑戰(zhàn)性；（2）由于對重力或表面張力不平衡的依賴，具有磁響應(yīng)彎曲結(jié)構(gòu)的MIT表面的液滴水平推進(jìn)速度有限；（3）由于結(jié)構(gòu)幾何形狀（微柱/微纖毛陣列）和驅(qū)動策略（常規(guī)磁場引起彎曲）的限制，MIT表面很難操縱多樣化的離散液滴和連續(xù)流體。因此，亟需尋求一種3D、快速且多功能的液體操縱MIT表面。

【成果簡介】

       近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳東教授、胡衍雷副教授（共同通訊作者）等人報道了一種基于由空間變化、周期性磁場驅(qū)動的磁響應(yīng)微板陣列（MMA）的3D液滴/多液滴運(yùn)輸策略。其中，改性的超疏水表面（SMMA）可以在水平和垂直方向上快速運(yùn)輸液滴，甚至可以實現(xiàn)反重力上坡推進(jìn)。由于特定磁場引起的改性表面的順序性突然反轉(zhuǎn)，液滴可以在水平方向上被快速地推進(jìn)（?58.6 mm/s）。此外，作者還制備了一種非磁性響應(yīng)微板/磁響應(yīng)微板陣列（NMMs/MMA）復(fù)合表面以用于實現(xiàn)3D多液滴操作。進(jìn)一步實驗證實，MMA除了可以實現(xiàn)離散液滴的操縱，還可以用于連續(xù)流體和液態(tài)金屬的操縱，為微流體的應(yīng)用提供了一個有價值的平臺。研究成果以題為“Three-dimensional multifunctional magnetically-responsive liquid manipulator fabricated by femtosecond laser writing and soft transfer”發(fā)布在國際著名期刊Nano Letters上。

       該論文第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納米工程實驗室博士生蔣紹軍，通訊作者為胡衍雷副教授,吳東教授。

【圖文解讀】

圖一、SMMA的制造過程及其獨(dú)特的3D液滴操縱

（a）MMA和SMMA的制造過程示意圖；

（b）MMA的SEM圖像；

（c）SMMA的SEM圖像；

（d-e）SMMA的放大SEM圖像；

（f-g）液滴的水平推進(jìn)和垂直捕獲/釋放的示意圖和光學(xué)圖像。

圖二、SMMA的磁響應(yīng)特性以及液滴的水平運(yùn)輸機(jī)制

（a）磁場仿真和微板彎曲示意圖；

（b）磁鐵陣列不同位置的磁通密度和微板彎曲角度；

（c）在周期性磁場激勵下，液滴在SMMA表面上的水平運(yùn)輸示意圖；

（d）在SMMA表面上的液滴運(yùn)輸過程的光學(xué)圖像；

（e-g）液滴運(yùn)輸速度與磁鐵陣列速度、液滴體積和微板間隔的關(guān)系；

（h）液滴運(yùn)輸距離與時間的關(guān)系。

圖三、液滴在SMMA表面上的水平操縱和反重力推進(jìn)

（a-b）在周期性磁場激勵下，液滴在SMMA上往復(fù)運(yùn)輸?shù)氖疽鈭D和光學(xué)圖；

（c-d）液滴在超疏水修飾的NMMs/MMA復(fù)合表面上定向推進(jìn)以及混合的示意圖和詳細(xì)工作過程圖像；

（e）基于快速液滴水平推進(jìn)和微觀定點(diǎn)合并的簡單化學(xué)反應(yīng)；

（f）液滴爬上傾斜角約5.4^o的SMMA表面。

圖四、垂直液滴操縱機(jī)制和基于垂直液滴操縱的多樣化應(yīng)用

（a）垂直液滴操縱的光學(xué)圖像；

（b）垂直液滴操縱的機(jī)理；

（c）液滴體積和釋放角（α）之間的定量關(guān)系；

（d）不同微板間隔的未經(jīng)處理的MMA和SMMA的垂直液滴操縱能力；

（e）垂直捕獲、水平運(yùn)輸和按需釋放液滴；

（f）利用超疏水修飾的NMMs/MMA復(fù)合表面現(xiàn)并行垂直捕獲和選擇性釋放多液滴。

圖五、基于MMA表面的連續(xù)流體和液態(tài)金屬的操縱

（a）在微流控芯片中遠(yuǎn)程操控流體混合的示意圖和照片；

（b-c）在周期性磁場激勵下，液態(tài)金屬液滴通過MMA的順序突然反轉(zhuǎn)被定向推進(jìn)；

（d）液態(tài)金屬（LM）液滴和極性變化區(qū)域（PCR）的運(yùn)動曲線。

【小結(jié)】

       綜上所述，作者開發(fā)了一種基于空間變化、周期性磁場驅(qū)動的磁響應(yīng)液體操縱器來實現(xiàn)3D液滴/多液滴運(yùn)輸。基于由周期性磁場引起的微板陣列高頻連續(xù)反轉(zhuǎn)，液滴的水平推進(jìn)速度可以達(dá)到?58.6 mm/s，比其他的磁響應(yīng)彎曲表面的液滴推進(jìn)速度快。同時，磁響應(yīng)液體操縱器還可以實現(xiàn)水平推進(jìn)、反重力爬升推進(jìn)、垂直定點(diǎn)捕獲/目標(biāo)點(diǎn)釋放等3D液滴運(yùn)輸模式。此外，NMMs/MMA復(fù)合表面可用于快速微觀定點(diǎn)合并、微化學(xué)反應(yīng)和多液滴并行捕獲/選擇性釋放等3D多液滴操作。微板陣列可以進(jìn)一步用作微混合器以實現(xiàn)遠(yuǎn)程混合連續(xù)流體。此外，作者還利用該操縱器實現(xiàn)了無涂層和無化學(xué)反應(yīng)的液態(tài)金屬定向推進(jìn)。所制備的磁響應(yīng)操縱器具有多種液體操縱功能，為微化學(xué)和微流體領(lǐng)域的3D多功能液滴操縱提供了新平臺。

文獻(xiàn)鏈接：Three-dimensional multifunctional magnetically-responsive liquid manipulator fabricated by femtosecond laser writing and soft transfer （Nano Letters, 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02997）

通訊作者簡介

       胡衍雷，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副教授。研究方向：超快激光微納米加工技術(shù)、微納米光子學(xué)、仿生表面和結(jié)構(gòu)制造。2007年本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系，2012年獲中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，2009.10-2010.10德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）聯(lián)合培養(yǎng)博士。曾在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、澳大利亞斯威本科技大學(xué)(Swinburne University of Technology)做博士后研究，主要研究方向為超快激光微納米加工技術(shù)，微納米光子學(xué)，仿生表面和結(jié)構(gòu)制造等。近年來在PNAS, Advanced Materials, Advanced Functional Materials， Light:Sci & Appl., ACS Nano, 科學(xué)通報等權(quán)威期刊發(fā)表SCI論文40余篇，研究成果多次被國內(nèi)外媒體關(guān)注報道，包括國外學(xué)術(shù)網(wǎng)站High-Beam, Phys.org, Nanowerk以及國內(nèi)新華網(wǎng)，光明日報，科技日報，中國科學(xué)報，人民網(wǎng)等。郵箱: huyl@ustc.edu.cn

       吳東，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授。研究方向：激光微/納加工、微納米技術(shù)、先進(jìn)精密制造、激光干涉技術(shù) 微光學(xué)器件、微機(jī)械（MEMS）、微芯片實驗室、仿生功能結(jié)構(gòu)。吳東教授于2005年在吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院開始讀研，師從孫洪波教授，2010年6月獲博士學(xué)位，2012年榮獲全國優(yōu)秀百篇博士論文獎。2011年6月在日本理化學(xué)研究所（RIKEN）做博士后，2014年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授。吳教授的科研方向主要集中利用超快激光與材料的非線性作用和計算機(jī)控制掃描實現(xiàn)多種材料、高精度、三維加工和復(fù)雜造型能力，并提出了若干加工新原理和關(guān)鍵技術(shù)，以及將其應(yīng)用于微光學(xué)、微機(jī)械、微流控和仿生表面等微納結(jié)構(gòu)和器件的制備，在Nature Photonics, Nature Communications, Light:Sci & Appl. (2篇，Nature系列子刊，1篇入選ESI“高被引論文”)，PNAS(美國科學(xué)院院刊)，Adv.Mater.，ACS Nano.，Laser Photon.Rev., Lab Chip（6篇，微流芯片領(lǐng)域top期刊）, APL（11篇），Opt.Lett./Opt.Express（15篇）等雜志發(fā)表相關(guān)論文70余篇，其中影響因子3.0以上62篇，9.0以上17篇。所發(fā)表的論文被雜志封面采用、專題評價、最高下載和轉(zhuǎn)載累計50篇次，已被他引3000余次。相關(guān)研究受到中科院儀器專項、科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。擔(dān)任中國機(jī)械工程學(xué)會微/納制造技術(shù)分會委員；LTO/CIOP國際光學(xué)會議委員；中國科協(xié)2018年青年科學(xué)家論壇共同執(zhí)行主席；科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃會評專家；《中國激光》和《Frontiers of Optoelectronics》雜志的青年編委。2020年當(dāng)選美國光學(xué)學(xué)會（OSA）旗下Top期刊Optics Letters的編輯（Topical editor）。郵箱: dongwu@ustc.edu.cn

團(tuán)隊在該領(lǐng)域工作匯總：

1. 磁場激勵多功能雙面神微板陣列用于水/光開關(guān)以及仿生同化著色。Multifunctional Janus Microplates Arrays Actuated by Magnetic Fields for Water/Light Switches and Bio-Inspired Assimilatory Coloration。Adv. Mater. 2019, 31, e1807507. 論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201807507. DOI：10.1002/adma.201807507.

2. 仿生跨物種各向異性表面利用單向微柱波實現(xiàn)主動式液滴運(yùn)輸。Cross-species Bio-inspired Anisotropic Surface for Active Droplets Transportation Driven by Unidirectional Microcolumn Waves. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020. 論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c10034. DOI: 10.1021/acsami.0c10034.

3. 在石蠟灌注微溝槽滑移表面利用原位切換焦耳熱實現(xiàn)超低電壓驅(qū)動多種液滴各向異性滑動的智能控制。Ultralow-Voltage-Driven Smart Control of Diverse Drop’s Anisotropic Sliding by In Situ Switching Joule Heat on Paraffin-Infused Micro-Grooved Slippery Surface. ACS Appl. Mater. Interfaces2020, 12, 1, 1895–1904. 鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b17936. DOI: 10.1021/acsami.9b17936.

4. 超低電壓下不同液體滑動與釘扎的原位可逆控制。 In Situ Reversible Control between Sliding and Pinning for Diverse Liquids under Ultra-Low Voltage. ACS Nano 2019, 13, 5, 5742–5752. 鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b01180. DOI: 10.1021/acsnano.9b01180.

5. 微槽滑移表面通過單向機(jī)械拉伸在各向同性和各向異性滑移之間的可逆調(diào)諧。Reversible Tuning between Isotropic and Anisotropic Sliding by One-Direction Mechanical Stretching on Microgrooved Slippery Surfaces. Langmuir 2019, 35, 32, 10625–10630. 鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.langmuir.9b01035. DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b01035.

相關(guān)優(yōu)質(zhì)文獻(xiàn)推薦：

1. Zhu S, Bian Y, Wu T, et al. High Performance Bubble Manipulation on Ferrofluid-Infused Laser-Ablated Microstructured Surfaces. Nano Letters, 2020, 20(7): 5513-5521. 鏈接： https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c02091. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02091.

2. Zhang Y, Jiao Y, Li C, et al. Bioinspired micro/nanostructured surfaces prepared by femtosecond laser direct writing for multi-functional applications. International Journal of Extreme Manufacturing, 2020. 鏈接： https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ab95f6/meta DOI： 10.1088/2631-7990/ab95f6.

3. Haoyu Dai, et al, Directional liquid dynamics of interfaces with superwettability, Sci. Adv. 2020. 鏈接： http://advances.sciencemag.org/content/6/37/eabb5528. DOI：10.1126 / sciadv.abb5528.

本文由CQR編譯。

新聞鏈接：http://www.cailiaoniu.com/209461.html

免責(zé)聲明：

  網(wǎng)站內(nèi)容來源于互聯(lián)網(wǎng)，由網(wǎng)絡(luò)編輯負(fù)責(zé)審查，目的在于傳遞信息，提供專業(yè)服務(wù)，不代表本網(wǎng)站平臺贊同其觀點(diǎn)和對其真實性負(fù)責(zé)。如因內(nèi)容、版權(quán)問題存在異議的，請與我們?nèi)〉寐?lián)系，我們將協(xié)調(diào)給予處理（按照法規(guī)支付稿費(fèi)或刪除），聯(lián)系方式：ahos@aiofm.ac.cn 。網(wǎng)站平臺將加強(qiáng)監(jiān)控與審核，一旦發(fā)現(xiàn)違反規(guī)定的內(nèi)容，按國家法規(guī)處理，處理時間不超過24小時。