In de materiaalkunde, de oppervlaktebevochtigbaarheid van een biomateriaal kan worden gemeten met behulp van de oppervlaktewatercontacthoek als een belangrijke karakterisering van zijn hydrofiliciteit of hydrofobiciteit. De techniek heeft de afgelopen jaren veel aandacht gekregen voor materiaalontwikkeling op het gebied van energie, gezondheidszorg en milieukunde. Bio-geïnspireerde oppervlakken zijn ontworpen met een verscheidenheid aan functionaliteiten en speciale eigenschappen van bevochtigbaarheid om de natuur na te bootsen.

Tussen deze, gladde, met vloeistof doordrenkte poreuze oppervlakken (SLIPS's) presteerden beter dan hun natuurlijke tegenhangers om ultramoderne oppervlakken te bieden met stabiele en defectvrije afstoting voor een verscheidenheid aan eenvoudige en complexe vloeistoffen. Om de toepassing van SLIPS's met instelbare bevochtigbaarheid te verbreden, adaptieve oppervlakken waren gemaakt van vloeibare film ondersteund door een nanoporeus elastisch substraat. Hoewel contactgebaseerde regulering veel van dergelijke verbeteringen heeft ondergaan om de bestaande gladde oppervlakken mogelijk te maken, hun ruimte-tijdcontrole via contactloos blijft ongerealiseerd. In aanvulling, gladde oppervlakken met programmeerbare bevochtigbaarheid die druppeltjes in de ruimte en tijd kunnen manipuleren voor een baanbrekende impact in de microfluïdische technologie moeten nog worden ontwikkeld.

Nu aan het schrijven wetenschappelijke vooruitgang , Wang et al. een roman presenteren, met paraffine doordrenkte poreuze grafeenfilm (PIPGF) bestaande uit een poreus grafeensponsmateriaal doordrenkt met paraffine. Dankzij het proces kon paraffine omkeerbaar overgaan tussen vaste en vloeibare fasen met het fotothermische effect van grafeen onder bijna-infrarood (NIR) licht. Toen het paraffine-oppervlak werd verwarmd tot smelten, waterdruppels kunnen langs de grafeenfilm naar beneden glijden, en toen de paraffine was afgekoeld, druppels vastgemaakt aan het filmoppervlak. De bevochtigbaarheid van het oppervlak en de toestand van de materie van PIPGF kunnen op afstand worden bestuurd met een hoge stabiliteit en snelle omkeerbaarheid met behulp van NIR-licht. De auteurs integreerden NIR-maskers zodat paraffine kon smelten bij overeenkomstige patronen op de PIPGF om programmeerbare routes voor de glijdende druppeltjes te vormen. De PIPGF faciliteerde programmeerbare bevochtigingspaden om het hanteren van vloeistoffen in microplaten te vereenvoudigen, druppelmicroarrays en in verschillende microfluïdische microreactoren met potentieel voor toepassingen bij de diagnose van bloedgroeperingen. De functies verleenden veelzijdigheid aan de fotobestuurbare PIPGF-platforms voor toepassingen met druppelmanipulatie.

In de studie, gereduceerd grafeenoxide (GO), tot nu toe grafeen genoemd, werd toegevoegd aan een mal die was voorbereid met twee platte glasplaatjes om de 3D-grafeensponsfilm te maken. Ionische binding met Ca ²⁺ (CaCl ₂ ), gevolgd door reductie met joodwaterstofzuur (HI) en daaropvolgend vriesdrogen maakte de vorming van de poreuze structuur mogelijk. De grafeensponsfilm werd onderzocht met scanning-elektronenmicroscopie (SEM) om een ​​honingraatachtige architectuur met hoge specifieke oppervlakken te observeren. De hydrofobiciteit van het oppervlak en de poreuze netwerkstructuur van de grafeensponsfilm maakten de infusie van gesmolten paraffinevloeistof in de poriën van de spons mogelijk om een ​​glad oppervlak te construeren. Capillaire krachten en bijpassende chemie tussen de vloeibare paraffine en vaste grafeenoppervlakken maakten een uniforme dekking van de grafeensteiger mogelijk, met duidelijke rimpels en uniforme coating van paraffine op de grafeensponsfilm.

De overgang van paraffine van vast naar vloeibaar in PIPGF kan op afstand worden bestuurd met eenvoudige bediening, hoge stabiliteit en snelle omkeerbaarheid met NIR-licht. De bevochtigbaarheid van het oppervlak van PIPGF werd gemeten met NIR aan/uit om de contact- en glijhoeken van waterdruppels op het oppervlak te bepalen. Aanvankelijk, de watercontacthoek op de grafeensponsfilm toonde hydrofobiciteit aan het oppervlak (~ 110 ⁰ ); daarna, een verminderde contacthoek werd waargenomen op de PIPGF met NIR ingeschakeld (~79 ⁰ ) en uit (~102 ⁰ ), wat wijst op vergelijkende hydrofiliciteit van het oppervlak.

De glijhoek van de waterdruppel was slechts 5 ⁰ met de laser ingeschakeld, terwijl de hoek toenam (87 ⁰ ) toen de laser was uitgeschakeld. Such NIR-controlled tunable wettability of the PIPGF provides a promising method for dynamically manipulating the mobility of droplets on a surface on demand, for tunable and reversibly repellent droplet handling technologies.

The authors integrated additional NIR masks on the PIPGF, to enable programmable wettability pathways for spatiotemporal droplet manipulation. When using NIR masks, the irradiated paraffin melted in the desired pattern to become slippery, 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.

In aanvulling, 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. In de studie, 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 Fys.org