Druppelmanipulatie heeft belangrijke toepassingen op gebieden zoals warmtebeheer, waterwinning en chemische reacties. Een onderzoeksteam van de City University of Hong Kong (CityU) ontwikkelde een multifunctionele elektrostatische druppelpincet die vloeistofdruppels precies kan "vangen" en hun beweging op afstand kan sturen op vlakke en gekantelde oppervlakken en in oliemedia. Experimenten toonden aan dat het pincet druppeltjes van verschillende volumes en met verschillende componenten kan manipuleren. Het heeft potentiële toepassingen op gebieden zoals biologische en chemische analyse met hoge doorvoer.

Het onderzoeksteam wordt geleid door professor Wang Zuankai, voorzitter van de afdeling Werktuigbouwkunde (MNE) van CityU. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences , onder de titel "Elektrostatisch pincet voor druppelmanipulatie."

De huidige benaderingen voor het manipuleren van druppeltjes maken voornamelijk gebruik van de oppervlaktekrachtgradiënt die op de substraten is geconstrueerd of passen rechtstreeks externe kracht toe op de druppeltjes. Deze methoden vereisen altijd dat de substraten of druppels reageren op externe krachten. Vanwege de vervormbare aard van druppeltjes, worden de bestaande methoden voor vloeistofmanipulatie geconfronteerd met veel technologische uitdagingen, zoals korte afstand, lage snelheid, beperkte bedrijfsomstandigheden en de noodzaak om responsieve additieven aan de druppeltjes toe te voegen.

Druppels manipuleren met statische elektriciteit

Om dergelijke technologische beperkingen te overwinnen, hebben professor Wang en zijn team met succes een multifunctionele elektrostatische druppelpincet ontwikkeld die elektrostatische inductie gebruikt om vloeistofdruppels van verschillende hoeveelheden, soorten en volumes tot op een afstand van enkele centimeters te "aantrekken" en op afstand te manipuleren. Kortom, het pincet kan de druppeltjes verplaatsen zonder ze direct aan te raken.

Geïnspireerd door de elektrostatische inductie van vaste materialen, paste het onderzoeksteam elektrostatische inductie toe in een vloeistof om druppelmanipulatie te bereiken. Elektrostatische inductie verwijst naar de herverdeling van elektrische ladingen in een geleider, veroorzaakt door de invloed van externe elektrische ladingen. Uiteindelijk heeft het team met succes de druppel elektrostatische pincet (DEST)-technologie ontwikkeld, waardoor er geen toevoegingen meer nodig zijn en programmeerbare druppelmanipulatie mogelijk is zonder direct contact met de druppeltjes.

Het DEST-systeem bestaat uit twee delen:een pincet met een externe spanning op de elektrodepunt en een substraat dat elektrisch is geaard. Druppels worden op het substraat geplaatst en wanneer het elektrostatische pincet is aangesloten op de voeding, worden de elektrische ladingen van de druppeltjes en het substraat herverdeeld als gevolg van elektrostatische inductie. Hierdoor kan de elektrostatische pincet de druppeltjes precies "vangen" en met een geschikte spanning naar de elektroden aan de punt leiden.

"De DEST is programmeerbaar", zei professor Wang. "Onze experimenten toonden aan dat de DEST de beweging van de vloeistofdruppels in open ruimtes, gesloten kanalen en zelfs olie kan sturen. De DEST stelt ons ook in staat om druppels van tientallen nanoliters tot enkele milliliters en verschillende hoeveelheden te manoeuvreren", zei professor Wang.

Verschillende DEST-manipulatiemodi

Uit het onderzoek bleek dat DEST verschillende modi kan bereiken. In de geleidingsmodus volgt de druppel bijvoorbeeld de beweging van het pincet met de elektrode op de punt. In de vangmodus beweegt de druppel naar het stationaire pincet met de elektrode "aan". Door de "aan"- of "uit"-status van de elektrode van het pincet te wijzigen, kan de druppel naar de gewenste positie van het pincet bewegen of daar blijven. Wanneer de elektrode van een pincet "uit" is, maar de aangrenzende is "aan", beweegt de druppel naar het "aan"-pincet, waardoor een gerichte beweging wordt bereikt (video 2).

In de continue vangmodus van de DEST, aangezien alle elektroden van het pincet "aan" zijn, gaat de druppel continu naar het volgende "aan" pincet (video 3).

In vergelijking met andere druppelmanipulatietechnologieën bereikt de DEST nauwkeurige en programmeerbare druppelmanipulatie met hoge snelheid, onbeperkte afstand en behendige richtingsbesturing. De technologie biedt een potentieel platform om druppelmanipulatie in te zetten voor chemische reacties, zoals neerslagreacties en kleurreacties. DEST kan ook worden toegepast om kleine vaste voorwerpen te vervoeren en om selectieve oppervlaktereiniging en oppervlakteverbeterde Raman-spectroscopiedetectie met hoge doorvoer uit te voeren.

"We hebben ook een superhydrofoob substraat gemaakt dat is gefunctionaliseerd met zilveren nanodeeltjes, zodat wanneer de gemanipuleerde druppeltjes op dit substraat bewegen, ze de zilveren nanodeeltjes dragen. Dit verhoogde de gevoeligheid in de Raman-meting vanwege de plasmonische eigenschappen van de zilveren nanodeeltjes in de druppeltjes. Wanneer een druppel wordt gemeten en verwijderd door de elektrostatische pincet, kunnen volgende druppeltjes naar de laserpositie worden verplaatst voor een andere meting, en de meetresultaten interfereren niet met elkaar.Een ander voordeel van de DEST bij het assisteren van Raman-meting is dat het de behoefte aan nauwkeurige laserfocus op de druppel, waardoor de meettijd aanzienlijk wordt verkort en detectie van druppelinformatie met hoge doorvoer wordt bereikt", legt dr. Jin Yuankai, postdoc in de MNE en eerste auteur van het artikel, uit.

"Onze technologie verhoogde de beheersbaarheid en verbreedde de toepassingsscenario's van druppelmanipulatie en vereenvoudigde het aanbrengproces. Bovendien kunnen de substraten die in ons DEST-systeem worden gebruikt, worden gefunctionaliseerd, waardoor hun prestaties voor chemische en biologische analyse worden verbeterd", concludeerde professor Wang over hun onderzoeks resultaten. + Verder verkennen

Wetenschapper bedenkt nieuwe "WRAP" druppelmanipulatiemethode