Dropphantering har viktiga tillämpningar inom områden som värmehantering, vattenskörd och kemiska reaktioner. Ett forskarlag från City University of Hong Kong (CityU) utvecklade en multifunktionell elektrostatisk dropppincett som exakt kan "fånga" vätskedroppar och fjärrstyra deras rörelse på plana och lutande ytor och i oljemedier. Experiment visade att pincetten kan manipulera droppar av olika volym och med olika komponenter. Det har potentiella tillämpningar inom områden som hög genomströmning av biologisk och kemisk analys.

Forskargruppen leds av professor Wang Zuankai, ordförande vid CityU:s institution för maskinteknik (MNE). Deras resultat publicerades i den akademiska tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences , under rubriken "Elektrostatisk pincett för dropphantering."

De nuvarande tillvägagångssätten för att manipulera droppar drar huvudsakligen fördel av ytkraftgradienten konstruerad på substraten eller direkt applicerar extern kraft på dropparna. Dessa metoder kräver alltid att substraten eller dropparna är känsliga för yttre krafter. På grund av dropparnas deformerbara natur står de befintliga metoderna för vätskehantering inför många tekniska utmaningar, såsom korta avstånd, låg hastighet, begränsade driftsförhållanden och behovet av att lägga till känsliga tillsatser till dropparna.

Manipulation av droppar med statisk elektricitet

För att övervinna sådana tekniska begränsningar utvecklade professor Wang och hans team framgångsrikt en multifunktionell elektrostatisk dropppincett som använder elektrostatisk induktion för att "attrahera" och fjärrmanipulera vätskedroppar av olika kvantiteter, typer och volymer upp till ett avstånd av några centimeter. Kort sagt, pincetten kan flytta dropparna utan att direkt röra dem.

Inspirerad av elektrostatisk induktion av fasta material tillämpade forskargruppen elektrostatisk induktion i en vätska för att uppnå droppmanipulation. Elektrostatisk induktion hänvisar till omfördelningen av elektriska laddningar i en ledare, orsakad av påverkan av externa elektriska laddningar. Så småningom utvecklade teamet framgångsrikt tekniken för droppelektrostatisk pincett (DEST), vilket eliminerade behovet av tillsatser och uppnådde programmerbar dropphantering utan att direkt komma i kontakt med dropparna.

DEST-systemet består av två delar:en pincett med en extern spänning applicerad på elektrodspetsen och ett substrat som är elektriskt jordat. Droppar placeras på substratet, och när den elektrostatiska pincetten är ansluten till ström, omfördelas de elektriska laddningarna av dropparna och substratet på grund av elektrostatisk induktion. Detta gör att den elektrostatiska pincetten kan "fånga" dropparna exakt och styra dem mot elektroderna vid spetsen med lämplig spänning.

"DEST är programmerbart", sa professor Wang. "Våra experiment visade att DEST kan styra vätskedropparnas rörelse i öppna utrymmen, slutna kanaler och till och med olja. DEST tillåter oss också att manövrera droppar från tiotals nanoliter till flera milliliter, och olika kvantiteter", säger professor Wang.

Olika DEST-manipuleringslägen

Forskningen fann att DEST kan uppnå olika lägen. Till exempel i styrläget följer droppen pincettens rörelse med elektroden på spetsen. I fångstläget rör sig droppen mot den stationära pincetten med elektroden "påslagen". Genom att ändra tillståndet "på" eller "av" för pincettens elektrod kan droppen flyttas till eller stanna i önskad position för pincetten. När elektroden på en pincett är "av" men den intilliggande är "på", flyttar droppen till "på" pincett och uppnår riktningsrörelse (video 2).

I det kontinuerliga infångningsläget för DEST, eftersom alla elektroder på pincetten är "på", flyttar droppen kontinuerligt till nästa "på" pincett (video 3).

Jämfört med andra droppmanipuleringstekniker uppnår DEST exakt och programmerbar droppmanipulation med hög hastighet, obegränsat avstånd och smidig riktningsstyrning. Tekniken erbjuder en potentiell plattform för att använda droppmanipulation för kemiska reaktioner, såsom utfällningsreaktioner och färgreaktioner. DEST kan också användas för att bära små fasta föremål och för att utföra selektiv ytrengöring och ytförstärkt Raman-spektroskopi med hög genomströmning.

"Vi förberedde också ett superhydrofobt substrat funktionaliserat med silvernanopartiklar, så att när de manipulerade dropparna rör sig på detta substrat bär de silvernanopartiklarna. Detta ökade känsligheten i Raman-mätningen på grund av de plasmoniska egenskaperna hos silvernanopartiklarna i dropparna. När en droppe mäts och tas bort med den elektrostatiska pincetten, kan efterföljande droppar flyttas till laserpositionen för en annan mätning, och mätresultaten stör inte varandra. En annan fördel med DEST för att hjälpa Raman-mätningen är att den eliminerar behovet av exakt laserfokusering på droppen, vilket avsevärt förkortar mättiden och uppnår detektering av droppinformation med hög genomströmning", förklarade Dr. Jin Yuankai, postdoc vid MNE och första författare till artikeln.

"Vår teknik ökade kontrollerbarheten och breddade tillämpningsscenarierna för droppmanipulation och förenklade appliceringsprocessen. Dessutom kan substraten som används i vårt DEST-system funktionaliseras, vilket förbättrar deras prestanda för kemisk och biologisk analys", avslutade professor Wang om deras forskningsresultat. + Utforska vidare

Forskare uppfinner den nya "WRAP" droppmanipulationsmetoden