Het nauwkeurig manipuleren van verschillende vloeistoffen is op veel gebieden essentieel en in tegenstelling tot vaste objecten, vloeistoffen zijn intrinsiek deelbaar. Vloeistoffen zijn ook plakkerig met geschikte functies voor verliesloze manipulatie om verlies en besmetting te voorkomen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Wei Li en collega's in werktuigbouwkunde en onderzoek en innovatie in China presenteerden fotopyro-elektrische microfluïdica om aan dergelijke uiteenlopende eisen te voldoen. Het fluïdische platform vergemakkelijkte de ontwikkeling van een uniek golvend diëlektroforetisch krachtveld van een enkele lichtstraal om opmerkelijk de gewenste verliesvrije manipulatie van druppels uit te voeren en te functioneren als een "magisch" bevochtigingsbestendig oppervlak. Het vloeibare platform kon navigeren, lont, knijp en klief vloeistoffen op verzoek om vrachtdragers met druppelwielen te maken en heeft het potentieel om de maximale concentratie van te leveren producten zoals eiwitten met een factor 4000 te verhogen.

Bestaande methoden om vloeistoffen samen te voegen

De oppervlaktemanipulatie van buffers en organische oplosmiddelen is van fundamenteel belang voor veel biologische toepassingen en chemische functies die essentieel zijn voor een verscheidenheid aan thermische, optische en medische toepassingen. Om dit te bereiken, wetenschappers moeten een platform ontwerpen om lokaal adresseerbare vloeistoffen voor navigatie mogelijk te maken met een laag verliespercentage om te partitioneren en samen te voegen in een gemakkelijk gecontroleerd proces. Licht kan andere prikkels overtreffen vanwege het contactloze karakter, hoge precisie, en volwassen straalcontrole ten opzichte van geometrische optica, bijvoorbeeld, om optische pincetten te vormen die micro-objecten vangen en losmaken. Verschillende benaderingen hebben daarom het potentieel onderzocht om vloeistoffen te fotomanipuleren door gebruik te maken van de energieconversie van foto-elektrische, fotothermisch, fotochemische en fotomechanische eigenschappen om vloeistoffen nauwkeurig te navigeren en samen te voegen. Hoe dan ook, deze technieken kunnen vloeistoffen niet verliesvrij splitsen en manipuleren. Daarom, in dit werk, Li et al. een ongekende aanpak gepresenteerd.

De nieuwe aanpak

Het team stapelde eenvoudig drie homogene lagen, inclusief een fotothermische film met behulp van een met grafeen gedoteerd polymeer, pyro-elektrisch kristal met behulp van een lithiumniobaatwafel, en een superomnifoob oppervlak met behulp van een silica-nanosfeer. De drie lagen functioneerden samen voor verliesvrije toepassingen van even, vloeistoffen met ultralage oppervlaktespanning in aanwezigheid van een enkele lichtstraal.

Ze stelden de fotothermische film samen met een grafeenmonolaagcomposiet om de lichtstimuli te voelen en de reacties te voelen die worden gegenereerd door ongelijkmatige thermogenese. Het pyro-elektrische kristal zette warmte om in extra elektrische ladingen om een ​​golvend diëlektroforetisch krachtprofiel te vormen dat zou kunnen vasthouden, doseren en splitsen van de vloeistoffen. Ze gebruikten de techniek om vier fundamentele functies uit te voeren, waaronder beweging, samenvoegen, doseren en splitsen van verschillende vloeistoffen onder goed gecontroleerde, verliesvrije omstandigheden zonder ingewikkelde elektroden en hoogspanningscircuits. De aanpak zal een aanzienlijke impact hebben op multidisciplinaire gebieden.

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. Echter, the technique had its limits with a maximum laser-moving velocity beyond which the droplet could not keep up with laser movement. Aanvullend, 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.

Op deze manier, 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 Wetenschap X Netwerk