Multifunktionel elektrostatisk dråbepincet fjernstyrer dråbebevægelsen

Dråbemanipulation har vigtige anvendelser inden for områder som varmestyring, vandhøst og kemiske reaktioner. Et forskerhold fra City University of Hong Kong (CityU) udviklede en multifunktionel elektrostatisk dråbepincet, der præcist kan "fange" væskedråber og fjernstyre deres bevægelse på flade og skrå overflader og i oliemedier. Eksperimenter viste, at pincet kan manipulere dråber af forskellig volumen og med forskellige komponenter. Det har potentielle anvendelser inden for områder som høj-throughput biologisk og kemisk analyse.

Forskerholdet ledes af professor Wang Zuankai, formandsprofessor i CityU's Department of Mechanical Engineering (MNE). Deres resultater blev offentliggjort i det akademiske tidsskrift Proceedings of the National Academy of Sciences , under titlen "Elektrostatisk pincet til dråbemanipulation."

De nuværende tilgange til at manipulere dråber drager hovedsageligt fordel af overfladekraftgradienten konstrueret på substraterne eller påfører direkte ekstern kraft på dråberne. Disse metoder kræver altid, at substraterne eller dråberne reagerer på eksterne kræfter. På grund af dråbernes deformerbare natur står de eksisterende metoder til væskemanipulation over for mange teknologiske udfordringer, såsom kort afstand, lav hastighed, begrænsede driftsforhold og behovet for at tilføje responsive additiver til dråberne.

Manipulation af dråber ved hjælp af statisk elektricitet

For at overvinde sådanne teknologiske begrænsninger udviklede professor Wang og hans team med succes en multifunktionel elektrostatisk dråbepincet, der bruger elektrostatisk induktion til at "tiltrække" og fjernmanipulere væskedråber af forskellige mængder, typer og volumener op til en afstand på nogle få centimeter. Kort sagt kan pincet flytte dråberne uden at røre dem direkte.

Inspireret af den elektrostatiske induktion af faste materialer anvendte forskerholdet elektrostatisk induktion i en væske for at opnå dråbemanipulation. Elektrostatisk induktion refererer til omfordelingen af ​​elektriske ladninger i en leder, forårsaget af påvirkningen af ​​eksterne elektriske ladninger. Til sidst udviklede teamet med succes den elektrostatiske pincet (DEST) teknologi, der eliminerede behovet for tilsætningsstoffer og opnåede programmerbar dråbemanipulation uden at komme i direkte kontakt med dråberne.

DEST-systemet består af to dele:en pincet med en ekstern spænding påført elektrodespidsen og et substrat, som er elektrisk jordet. Dråber lægges på underlaget, og når den elektrostatiske pincet tilsluttes strøm, omfordeles de elektriske ladninger af dråberne og underlaget på grund af elektrostatisk induktion. Dette gør det muligt for den elektrostatiske pincet præcist at "fange" dråberne og lede dem mod elektroderne ved spidsen med en passende spænding.

"DEST er programmerbar," sagde professor Wang. "Vores eksperimenter viste, at DEST kan styre bevægelsen af ​​væskedråberne i åbne rum, lukkede kanaler og endda olie. DEST giver os også mulighed for at manøvrere dråber fra snesevis af nanoliter til flere milliliter og forskellige mængder," siger professor Wang.

Forskellige DEST-manipuleringstilstande

Forskningen fandt, at DEST kan opnå forskellige tilstande. For eksempel i guidetilstanden følger dråben pincettens bevægelse med elektroden på spidsen. I indfangningstilstanden bevæger dråben sig mod den stationære pincet med elektroden "tændt". Ændring af "tændt" eller "sluk"-tilstand for pincettens elektrode gør det muligt for dråben at bevæge sig til eller forblive i den ønskede position af pincet. Når elektroden på en pincet er "slukket", men den ved siden af ​​er "tændt", flytter dråben sig til "tændt" pincet og opnår retningsbestemt bevægelse (video 2).

I den kontinuerlige indfangningstilstand af DEST, da alle elektroderne på pincet er "tændt", bevæger dråben sig kontinuerligt til den næste "til" pincet (video 3).

Sammenlignet med andre dråbemanipulationsteknologier opnår DEST præcis og programmerbar dråbemanipulation med høj hastighed, ubegrænset afstand og adræt retningsstyring. Teknologien tilbyder en potentiel platform for brug af dråbemanipulation til kemiske reaktioner, såsom udfældningsreaktioner og farvereaktioner. DEST kan også anvendes til at bære små faste genstande og til at udføre selektiv overfladerensning og højkapacitetsforbedret Raman-spektroskopi-detektion.

"Vi forberedte også et superhydrofobt substrat funktionaliseret med sølvnanopartikler, så når de manipulerede dråber bevæger sig på dette substrat, bærer de sølvnanopartiklerne. Dette øgede følsomheden i Raman-målingen på grund af de plasmoniske egenskaber af sølvnanopartiklerne i dråberne. Når en dråbe måles og fjernes med den elektrostatiske pincet, kan efterfølgende dråber flyttes til laserpositionen for en anden måling, og måleresultaterne interfererer ikke med hinanden. En anden fordel ved DEST til at hjælpe Raman-målingen er, at den eliminerer behov for præcis laserfokusering på dråben, hvilket i høj grad forkorter måletiden og opnår high-throughput dråbeinformationsdetektion," forklarede Dr. Jin Yuankai, Postdoc i MNE og førsteforfatter af papiret.

"Vores teknologi øgede kontrollerbarheden og udvidede anvendelsesscenarierne for dråbemanipulation og forenklede påføringsprocessen. Derudover kan substraterne, der bruges i vores DEST-system, funktionaliseres, hvilket forbedrer deres ydeevne til kemisk og biologisk analyse," konkluderede professor Wang om deres forskningsresultater. + Udforsk yderligere

Videnskabsmand opfinder den nye "WRAP" dråbemanipulationsmetode