Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Wetenschappers bereiken femtoseconde laserfabricage van magnetisch reagerende Janus-origami-robots

Schemaillustratie en demonstratie van de JO-robot. een schema van JO-robot. Het bovenoppervlak is superhydrofoob met een lage druppeladhesie en het onderoppervlak is hydrofoob met een hoge druppeladhesie. Met behulp van capillaire kracht kan de JO-robot waterdruppels omwikkelen en de druppel gericht transporteren door magnetisch gestuurd tuimelen. b De bijbehorende afbeeldingen van directioneel tuimelen, omwikkelen van druppels en directioneel transport van druppels door JO-robot. c–f Veelzijdige druppelmanipulatie op basis van JO-robot. c De JO-robot maakt het doseren van dochterdruppels mogelijk onder magnetisch veld en capillaire kracht. d Het omhulde druppeltje kan door de JO-robot worden losgelaten door te knijpen en te duwen. e De JO-robot kan druppels roeren onder invloed van het roterende magnetische veld en kan ook fotothermische roering realiseren door middel van NIR-laserbestraling. Alle schaalbalken zijn 2 mm. Credit:Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41092-1

De veelzijdige manipulatie van druppels op verschillende schaalniveaus is veelbelovend op verschillende gebieden, met name op het gebied van precisiechemie en biomedische diagnostiek. Vanuit praktisch oogpunt vereisen effectieve druppelmanipulatietechnieken multifunctionele integratie en toepasbaarheid op verschillende schaalniveaus.



Magnetische excitatie is op grote schaal toegepast op het gebied van druppelmanipulatie vanwege de voordelen ervan, zoals bestuurbaarheid op afstand, biocompatibiliteit, ongevoeligheid voor omgevingsfactoren zoals substraatlading en uitstekende transparantie. Het uitbreiden van de mogelijkheden van magnetisch responsieve druppelmanipulatie en het uitbreiden van de diverse functionaliteiten van microliter- tot nanoliterschalen blijven echter enorme uitdagingen.

Als antwoord op deze uitdaging ontwikkelden professor Hu Yanlei en zijn onderzoeksteam van het Micro/Nano Engineering Laboratory van de University of Science and Technology of China (USTC) van de Chinese Academy of Sciences (CAS), in samenwerking met andere onderzoekers, een magnetisch aangedreven Janus-origamirobot met behulp van femtoseconde laser-nanofabricagetechnieken.

Deze robot maakt effectieve integratie mogelijk van diverse functionaliteiten voor druppelmanipulatie, waaronder driedimensionaal druppeltransport, samenvoegen, splitsen, nauwkeurige dosering en on-demand vrijgave van dochterdruppels, evenals roeren en verwarming op afstand.

Druppel inpakken en transporteren door JO-robot. Credit:Natuurcommunicatie (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41092-1

Bovendien vertoont deze manipulatiestrategie opmerkelijke stabiliteit en maakt de manipulatie van druppeltjes mogelijk met volumes van ongeveer 3,2 nanoliter tot ongeveer 51,14 microliter. De resultaten van dit onderzoek, getiteld "Magnetic Janus origami robot for cross-scale droplet omni-manipulation", zijn gepubliceerd in Nature Communications .

De bovenste en onderste oppervlakken van de magnetisch reagerende dubbellaagse Janus-origamirobot vertonen duidelijke bevochtigingseigenschappen. Het bovenoppervlak van de robot bevindt zich in een superhydrofobe toestand met een lage druppeladhesie, terwijl het onderoppervlak hydrofoob is met een hoge druppeladhesie.

Tegelijkertijd worden er twee vouwen op het bovenoppervlak van de robot ontworpen om de spontane omhulling van druppels onder capillaire krachten bij contact te vergemakkelijken. Het algehele profiel, de vouwen en de micro-/nano-functionele structuren van de robot worden vervaardigd en aangepast door middel van femtoseconde laserscanning.

Aangedreven door een magnetisch veld nadert de robot actief waterdruppels en kapselt deze in door te rollen, waardoor gecontroleerd druppeltransport mogelijk wordt. Bovendien kan de magnetisch reagerende dubbellaagse Janus-origamirobot dochterdruppels van grotere druppels verdelen door middel van gericht rollen en vouwen.

Driedimensionaal druppeltransport. Credit:Natuurcommunicatie (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41092-1

Door de magnetische veldsterkte te regelen, kunnen de verdeelde dochterdruppeltjes uit de robot worden geëxtrudeerd. Door gebruik te maken van de speciaal ontworpen superhydrofobe buitenkant duwt de robot zachtjes druppels voor gecontroleerde vrijgave en scheiding. De robot kan ook roteren onder invloed van het magnetische veld, waardoor een gecontroleerde vloeistofmenging wordt bereikt en, in combinatie met zijn fotothermische eigenschappen, verwarming op afstand mogelijk wordt.

Magnetisch reagerende Janus-origami-robots zijn ontwikkeld om veelzijdige druppelmanipulatie over de schaal mogelijk te maken, en bieden functies die lijken op commerciële magnetische roerders. Naast het snel mengen van water, beschikken deze robots over het vermogen om vloeistoffen met een hoge viscositeit, zoals glycerol, effectief te mengen via hun verwarmings- en roerfuncties, waarbij temperaturen van boven de 80°C worden bereikt.

Voortbouwend op hun diverse mogelijkheden voor druppelmanipulatie, integreren de magnetisch reagerende Janus-origami-robots naadloos verschillende druppelverwerkingsfunctionaliteiten om continue druppelmanipulatiedoelstellingen te bereiken. De robots benaderen bijvoorbeeld autonoom waterdruppels door middel van rollende bewegingen, geven specifieke volumes dochterdruppeltjes af, transporteren deze afgegeven dochterdruppeltjes om samen te smelten met andere druppels, en vergemakkelijken uiteindelijk een snelle menging van druppels met verschillende componenten door middel van roeren. Deze multifunctionele integratie van druppelmanipulatie strekt zich naadloos uit tot op nanoliterschaal.

In een proof-of-concept-demonstratie slaagden de robots, na oppervlaktemodificaties, met succes in de extractie en zuivering van nucleïnezuren.

Samenvattend maken magnetisch reagerende Janus-origami-robots druppelmanipulatie op meerdere schaal mogelijk, wat aanzienlijke gevolgen heeft voor de precieze afgifte van reagentia, microdruppelpatronen en snelle microdruppelreacties op diverse gebieden, zoals fijne chemische technologie, medische diagnostiek en microfluïdische technologieën.

Meer informatie: Shaojun Jiang et al., Magnetische Janus-origamirobot voor omni-manipulatie van druppels op meerdere schaal, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41092-1

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Biologen tonen aan dat de enige longloze kikkersoort inderdaad longen heeft
  2. Biologen onderzoeken de moleculaire onderbouwing van cellen die herstellen van de rand van geprogrammeerde dood
  3. Wat is de levensduur van uw hond? Het zal je misschien verbazen
  4. Drie artikelen helpen de code van co-enzym Q-biosynthese te kraken
  5. Profase: wat gebeurt er in dit stadium van mitose en meiose?
  6. Studie onderstreept nieuwe strategieën om resistente bacteriën te bestrijden
  7. Van wortels tot veerkracht:onderzoek naar de vitale rol van microben in de gezondheid van kustplanten
  8. Het beperkte aanpassingsvermogen maakt zoetwaterbacteriën kwetsbaar voor klimaatverandering
  9. Verbeterde CRISPR-methode maakt stabiele invoeging van grote genen in het DNA van hogere planten mogelijk

Wetenschap