Att just manipulera olika vätskor är viktigt inom många områden och till skillnad från fasta föremål, vätskor är i sig delbara. Vätskor är också klibbiga med lämpliga funktioner för förlustfri hantering för att förhindra förlust och kontaminering. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Wei Li och kollegor inom maskinteknik och forskning och innovation i Kina presenterade fotopyroelektrisk mikrofluidik för att möta så olika krav. Den fluidiska plattformen underlättade utvecklingen av ett unikt vågigt dielektroforetiskt kraftfält från en enda ljusstråle för att anmärkningsvärt utföra den önskade förlustfria manipulationen av droppar och fungera som en "magisk" vätsäker yta. Vätskeplattformen kunde navigera, säkring, nypa och klyva vätskor på begäran för att etablera lastbärare med dropphjul och har potential att uppgradera den maximala koncentrationen av leveranser som protein med 4000 gånger.

Befintliga metoder för att slå samman vätskor

Ythanteringen av buffertar och organiska lösningsmedel är grundläggande för många biologiska tillämpningar och kemiska funktioner som är avgörande för en mängd olika termiska, optiska och medicinska tillämpningar. För att åstadkomma detta, forskare måste designa en plattform för att möjliggöra lokalt adresserbara vätskor för navigering med låg förlusthastighet att partitionera och smälta samman i en lättkontrollerad process. Ljus kan överträffa andra stimuli på grund av dess kontaktlösa natur, hög precision, och styrbarhet för mogen strålar i förhållande till geometrisk optik, till exempel, för att bilda en optisk pincett som fångar och avlägsnar mikroobjekt. Flera tillvägagångssätt har därför utforskat potentialen att fotomanipulera vätskor genom att utnyttja energiomvandlingen av fotoelektriska, fototermisk, fotokemiska och fotomekaniska egenskaper för att exakt navigera och sammanfoga vätskor. Ändå, dessa tekniker kan inte dela och manipulera vätskor på ett förlustfritt sätt. Därför, i det här arbetet, Li et al. presenterade ett aldrig tidigare skådat tillvägagångssätt.

Det nya tillvägagångssättet

Teamet staplade helt enkelt tre homogena lager, inklusive en fototermisk film med en grafendopad polymer, pyroelektrisk kristall som använder en litiumniobatskiva, och en superomnifob yta som använder en kiseldioxid nanosfär. De tre skikten fungerade tillsammans för förlustfria applikationer av jämn, vätskor med ultralåg ytspänning i närvaro av en enda ljusstråle.

De komponerade den fototermiska filmen med en monolagerkomposit av grafen för att känna av ljusstimuli och känna av de svar som genereras av ojämn termogenes. Den pyroelektriska kristallen omvandlade värme till extra elektriska laddningar för att bilda en vågig dielektroforetisk kraftprofil som kunde fånga in, fördela och dela vätskorna. De använde tekniken för att utföra fyra grundläggande funktioner inklusive rörelse, sammanslagning, dispensering och uppdelning av olika vätskor under välkontrollerad, förlustfria förhållanden utan komplicerade elektroder och högspänningskretsar. Tillvägagångssättet kommer att ha betydande inverkan på tvärvetenskapliga områden.

Designing photopyroelectric microfluidics

Li and team used the three layers of closely sandwiched materials (the pyroelectric crystal, superomniphobic thin film and photothermal thin film) to form the platform. The top superomniphobic layer contained nanoscale fractal networks made by sintering hollow silica spheres covered with fluorinated surfactants to achieve super-repellence. In the bottom layer, they formed a uniform composite film by homogenizing graphene nanoplatelets with polydimethylsiloxane (PDMS) and cured the polymer. When a beam of near-infrared (NIR) light irradiated the surface, the translucent superomniphobic surface and pyroelectric wafer became a transparent window allowing the NIR to readily reach the underlying composite polymer film. This led to a partially uneven, localized temperature rise, giving form to extra surface free charges, allowing droplets on the superomniphobic surface to be driven forward to the irradiated spot via a dielectric force. The scientists applied the technique to a variety of liquids including organic solvents such as silicone oil, alkanes and alcohols. The platform provided a channel-free, open-space fluidic processor without the hassle of electrodes or micropatterning required for currently existing microfluidic counterparts.

Loss-free fluid interfacing, light sensitive sensing, and droplet dynamics

The superomniphobic surface was chemically resistant to corrosive acids and bases, allowing a stable cassie state to remain on the surface for chemical fluidic processing. The scientists confirmed loss-free fluid interfacing via fluorescence imaging of the omniphobic surface and compared the results with controls to show near loss-free contact with fluids on the material of interest. Li et al. thereafter noted the light-sensing capacity of the system to show the conversion of irradiated light into a sharply bulged temperature profile in the system. They then investigated the motion of a 5 microliter (µl) droplet of water placed 13 mm away from the light spot center. When they turned the laser on, the droplet was attracted to the illumination in an oscillating mode, where it initially accelerated toward the laser, then rapidly braked and reversed direction on reaching the light spot's edge. To understand the underlying physics of droplet dynamics, the team developed a numerical simulation and varied the liquid types for the calculations to show that higher the relative permittivity and surface tension, the easier for liquid motion.

The team performed a variety of fluidic functions using a single beam of laser light, where the wavy dielectrophoretic force profile could unexpectedly trap and move droplets with a volume as low as 0.001 µL. The team also handled a 200 µL puddle without loss on the platform, suited for miniaturization of biomedical systems. Dock, the technique had its limits with a maximum laser-moving velocity beyond which the droplet could not keep up with laser movement. Dessutom, Li et al. facilitated a strong navigating force for droplets to defy gravity and ascend uphill by placing the platform vertically, allowing the superior technique to precisely manipulate various liquids at the micro-/nanoliter scale, which is of fundamental importance across multiple fields. Using the method, the team observed the loss-free detection of amino acids such as glycine and low-surface tension liquids such as ethanol. The method has great potential in analytical chemistry, medical diagnosis, and biomedicine.

På det här sättet, Wei Li and colleagues developed a unique wavy dielectrophoretic force field in response to light stimuli with a three-layered surface for well-controlled, loss-free liquid motion, merging, dispensing and splitting functionalities. They readily modified the force by superimposing multiple light irradiations for richer fluidic functionality and droplet patterning applications. The method will facilitate fluid maneuver on demand for applications in biochemical and fluidic processing reactions, fluidic engineering and manufacturing for precision patterning and for droplet multi-compartmentalization.

© 2020 Science X Network