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中科院深圳先進(jìn)院杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì) NSR：光控“液滴機(jī)器人”
2022-08-25  來源：高分子科技

  液滴操控對于基礎(chǔ)研究和諸如生化反應(yīng)、診斷分析等實(shí)際應(yīng)用都尤為重要。盡管采用電場、磁場等外場操控液滴備受矚目且取得較大進(jìn)展，但這類液滴操控通常需借助大型設(shè)備、復(fù)雜的電極設(shè)計(jì)，或需添加電/磁響應(yīng)性材料，極大影響液滴操控的靈活性與持久性。光作為非常典型的外場之一，雖可通過光化學(xué)、光機(jī)械、光誘導(dǎo)馬蘭戈尼效應(yīng)，或光誘導(dǎo)電場等策略，將光轉(zhuǎn)變?yōu)橐旱芜\(yùn)動的驅(qū)動力進(jìn)而克服上述問題，但仍面臨新的挑戰(zhàn)：一方面，由于光產(chǎn)生的驅(qū)動力很大一部分被界面阻力抵消，導(dǎo)致液滴運(yùn)動速度慢、距離短且靈活性差；另一方面，采用紫外光、光響應(yīng)性試劑或因光導(dǎo)致的損傷等問題，使其在無污染、生物相容性好、可靠性需求高的生化領(lǐng)域應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)。



  近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建了一種基于智能高分子材料的新型超雙疏表面（photo-induced charged superamphiphobic surface, PICS）。該PICS結(jié)合了光與電的雙重優(yōu)勢，通過光熱誘導(dǎo)表面電荷實(shí)時、高效、持續(xù)再生能力，實(shí)現(xiàn)光控液滴高速、長距離、多模態(tài)、群體精準(zhǔn)運(yùn)動，并進(jìn)一步拓展到具有環(huán)境感知功能的液滴機(jī)器人及細(xì)胞輸運(yùn)等生物應(yīng)用。


光控液滴高速長距離運(yùn)動


液滴機(jī)器人在管內(nèi)搬運(yùn)物體


  研究團(tuán)隊(duì)采用具有高效光熱與導(dǎo)熱性能的液態(tài)金屬顆粒（LMP），與具有獨(dú)特鐵電效應(yīng)的聚偏氟乙烯-三氟乙烯聚合物（P(VDF-TrFE)）復(fù)合，成功構(gòu)建了一種基于智能高分子材料的新型超雙疏表面——PICS，通過開爾文探針力顯微鏡（KPFM）揭示了該智能高分子材料表面電荷實(shí)時、原位、高效再生能力；研究發(fā)現(xiàn)，PICS在較低光強(qiáng)的近紅外光（NIR，42 mW cm-2）照射下，毫秒級內(nèi)即可產(chǎn)生表面電荷密度高達(dá)252 pC mm-2，且表面電荷高效再生能力在較高環(huán)境濕度（~90%）與溫度（~70 ℃）等極端環(huán)境下幾無影響，其電荷高效再生性能在持續(xù)10000次光照循環(huán)后仍維持穩(wěn)定。 


圖1：大面積制備具有優(yōu)異力學(xué)特性的PICS及其光誘導(dǎo)電荷實(shí)時再生性能。


  基于PICS獨(dú)特的光與電雙重優(yōu)勢，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了PICS上光控液滴高速（8 μL水滴，平均速度：~ 35.9 mm s-1）、長距離、多模態(tài)（向前、向后、旋轉(zhuǎn)）、集體定向運(yùn)動，且光控液滴高速運(yùn)動在較高環(huán)境濕度、逾100次循環(huán)后仍能維持穩(wěn)定，并可拓展到如高濃度氯化鈉（1 M）等復(fù)雜溶液；研究團(tuán)隊(duì)還采用麥克斯韋應(yīng)力張量模型分析驗(yàn)證了光控液滴運(yùn)動機(jī)制。 


圖2：PICS上光控液滴多模態(tài)、高效、穩(wěn)定循環(huán)運(yùn)動。


  在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了光操控液滴在液滴機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用：光操控液滴在PICS共形貼合的管內(nèi)搬運(yùn)物體、穿梭小隧道、清除粉末、避障運(yùn)動，及光操控液滴運(yùn)動并通過液滴肉眼可見的顏色變化實(shí)時感知環(huán)境磁場變化；此外，研究團(tuán)隊(duì)還拓展了液滴機(jī)器人在細(xì)胞輸運(yùn)、生化檢測等生物領(lǐng)域應(yīng)用。 


圖3：PICS上采用手持激光筆操控液滴機(jī)器人。


  PICS融合了光與電的雙重優(yōu)勢——通過光誘導(dǎo)表面實(shí)時、高效與穩(wěn)定電荷再生，實(shí)現(xiàn)液滴靈活、高速、長距離及按需操控，拓展了光控液滴在液滴機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用；其操控條件溫和且生物相容性好，極大促進(jìn)了光操控液滴在細(xì)胞輸運(yùn)、生化檢測等領(lǐng)域應(yīng)用。這類新型的光誘導(dǎo)表面帶電的智能高分子材料及其靈活、高效、可靠的液滴操控能力，有望促進(jìn)智能界面材料、微流體及其在生物與化學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展。該論文第一作者是中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士后王芳、劉美金、博士生劉聰，論文通訊作者為中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院杜學(xué)敏研究員；團(tuán)隊(duì)其他成員及華東師范大學(xué)張利東教授、胡志高教授等合作者均為該研究做出了重要貢獻(xiàn)。蘇州大學(xué)何樂教授與香港城市大學(xué)王鉆開教授為該工作提供了幫助。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、廣東省區(qū)域聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、深圳市學(xué)科布局等科技項(xiàng)目資助。


  原文鏈接： https://doi.org/10.1093/nsr/nwac164 

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