Paraffin-infunderet porøs grafenfilm (PIPGF) med programmerbar fugtbarhed

I materialevidenskab, overfladebefugtningen af ​​et biomateriale kan måles ved at bruge overfladevandskontaktvinklen som en vigtig karakterisering af dets hydrofilicitet eller hydrofobicitet. Teknikken har i de senere år tiltrukket sig bemærkelsesværdig opmærksomhed for materialeudvikling inden for energi, sundheds- og miljøvidenskab. Bioinspirerede overflader er blevet konstrueret med en række funktionaliteter og særlige befugtningsegenskaber for at efterligne naturen.

Imellem disse, glatte væskeinfunderede porøse overflader (SLIPS'er) udkonkurrerede deres naturlige modstykker for at give state-of-the-art overflader med stabil og fejlfri afvisning til en række simple og komplekse væsker. For at udvide anvendelsen af ​​SLIPS'er med justerbar befugtning, adaptive overflader blev lavet af flydende film understøttet af et nanoporøst elastisk substrat. Selvom kontaktbaseret regulering gennemgik mange sådanne forbedringer for at muliggøre de eksisterende glatte overflader, deres rum-tid kontrol via ikke-kontakt forbliver urealiseret. Ud over, glatte overflader med programmerbar befugtningsevne, der rumligt og tidsmæssigt kan manipulere dråber til en banebrydende effekt inden for mikrofluidikteknologi, mangler at blive udviklet.

Skriver nu ind Videnskabens fremskridt , Wang et al. præsentere en roman, paraffin-infunderet porøs grafenfilm (PIPGF) bestående af et porøst grafensvampmateriale infunderet med paraffin. Processen gjorde det muligt for paraffin reversibelt at gå mellem faste og flydende faser med den fototermiske effekt af grafen under nær-infrarødt (NIR) lys. Når paraffinoverfladen blev opvarmet til smeltning, vanddråber kunne glide ned langs grafenfilmen, og når paraffinen var afkølet, dråber fastgjort til filmoverfladen. Overfladebefugtningsevnen og stoftilstanden af ​​PIPGF kunne fjernstyres med høj stabilitet og hurtig reversibilitet ved hjælp af NIR-lys. Forfatterne integrerede NIR-masker, så paraffin kunne smelte ved tilsvarende mønstre på PIPGF for at danne programmerbare veje for de glidende dråber. PIPGF faciliterede programmerbare befugtningsveje for at forenkle væskehåndtering i mikroplader, dråbemikroarrays og i distinkte mikrofluidiske mikroreaktorer med potentiale for anvendelser i blodgruppediagnostik. Funktionerne bidrog til alsidighed til de fotokontrollerbare PIPGF-platforme til applikationer, der involverer dråbemanipulation.

I undersøgelsen, reduceret grafenoxid (GO) hidtil kaldet grafen, blev tilføjet til en form forberedt med to flade glasobjektglas for at skabe 3-D grafensvampefilmen. Ionbinding med Ca ²⁺ (CaCl ₂ ), efterfulgt af reduktion med hydroiodsyre (HI) og efterfølgende frysetørring muliggjorde dannelsen af ​​den porøse struktur. Grafensvampefilmen blev undersøgt med scanningelektronmikroskopi (SEM) for at observere en honeycomb-lignende arkitektur med høje specifikke overfladearealer. Overfladehydrofobicitet og den porøse netværksstruktur af grafensvampfilmen muliggjorde infusion af smeltet paraffinvæske i svampens porer for at konstruere en glat overflade. Kapillærkræfter og matchende kemi mellem den flydende paraffin og faste grafenoverflader muliggjorde ensartet dækning af grafenstilladset, viser tydelige rynker og ensartet belægning af paraffin på grafensvampfilmen.

Overgangen af ​​paraffin fra fast til flydende i PIPGF kunne fjernstyres med nem betjening, høj stabilitet og hurtig reversibilitet ved brug af NIR-lys. Overfladebefugtningsevnen af ​​PIPGF blev målt med NIR tændt/slukket for at bestemme kontakt- og glidevinklerne for vanddråber på dens overflade. I første omgang, vandkontaktvinklen på grafensvampefilmen demonstrerede overfladehydrofobicitet (~110 ⁰ ); derefter, en reduceret kontaktvinkel blev observeret på PIPGF'en med NIR tændt (~79 ⁰ ) og slukket (~102 ⁰ ), indikerer sammenlignende overfladehydrofilicitet.

Vanddråbens glidevinkel var kun 5 ⁰ med laseren tændt, hvorimod vinklen steg (87 ⁰ ), da laseren blev slukket. En sådan NIR-kontrolleret afstembar befugtning af PIPGF giver en lovende metode til dynamisk at manipulere mobiliteten af ​​dråber på en overflade efter behov, til justerbare og reversibelt afvisende dråbehåndteringsteknologier.

Forfatterne integrerede yderligere NIR-masker på PIPGF, for at muliggøre programmerbare befugtningsveje til spatiotemporal dråbemanipulation. Ved brug af NIR-masker, den bestrålede paraffin smeltede i det ønskede mønster for at blive glat, while the unirradiated part remained rough. The ability to control the droplet guiding pathway on PIPGF surfaces for programmable spatiotemporal droplet flexibility is of significance for microfluidic technologies.

To demonstrate practical applications of NIR-controlled programmable wettability pathways, the authors used PIPGF for liquid handling in microplate technology to create a greatly simplified yet accurate and reusable pipetting process. Different samples could be pipetted into wells simultaneously to conserve time.

Ud over, the PIPGF with more complex Y-shaped or Y-Y composite channels could be programmed to form distinctive microreactors for controlled droplet-based chemical merging reactions. The applications highlight the potential of PIPGF in microfluidic systems and in laboratory-on-a-chip settings. To demonstrate its potential in practice, the authors conducted a human blood grouping (ABO and Rh) diagnosis using the platform. An individual's blood type can be detected by monitoring the hemagglutination reaction between antigens and antibodies, which traditionally requires observational skills and facilities. I undersøgelsen, the authors simply monitored blood grouping after mixing with antibodies, to detect if the composite blood groups slid down the PIPGF or not. Blood drops with no hemagglutination reaction slid, whereas blood drops where agglutination occurred remained pinned to the PIPGF surface.

The volume ratios of blood droplets to antibody droplets should be precisely optimized to influence the reaction time of hemagglutination. The simple detection and significant results on PIPGF microreactors may find important roles in cost-effective, clinical blood grouping applications. Photocontrollable PIPGF can form intelligent droplet microfluidic systems, with expansive features for programmable, multidisciplinary wettability applications in chemistry, materials engineering, energy and healthcare.

© 2018 Phys.org