磁响应平台实现了各种复杂液滴的无损操控

液滴操控在生物医学、化学分析和合成等领域有着广泛的应用。在过去的几十年中,学者们针对液滴操控已经取得了重大突破,基于各种外部刺激开发出了不同的液滴运输策略。然而,这些方法往往无法同时驱动一些表面张力低、粘度高及腐蚀性强的复杂液体。例如,介电润湿平台需要高介电常数的介电层来操纵液滴;光诱导平台驱动力小,高粘度液滴不易被驱动;声波对表面张力低的液滴几乎失去驱动能力;而基于热刺激的响应平台不适宜操控易挥发液滴。此外,大多数液滴操控技术为实现液滴的高效操控,需创造强外场与液滴直接作用,这会对分析样品造成不可逆的损伤,从而干扰它们的反应性以及表征精度。例如,电和光刺激中各种形式的干扰会对生物标本造成不可逆的损伤;传统的磁操控液滴方法,为了有效控制液滴,将铁磁颗粒直接加入液滴中,此行为可能会污染分析样本。因此,开发一种能够有效操纵各种液滴的平台是具有挑战性的。

针对这一系列问题,电子科技大学胶体与智能界面研究中心邓旭课题组利用含有低杨氏模量磁性纳米颗粒复合材料层在磁场下会产生形变的行为,依托液滴的自重作为驱动力;以及水、油、血液及有机溶剂液滴在超润滑涂层表面具有很低的粘附力这一特性,可降低驱动阻力,提高平台的抗污染能力。结合这两个特点,成功设计了一种磁响应全液滴驱动平台,并基于此液滴驱动机制,探索了平台对不同液体的操控能力。实验表明,平台对液滴的最大驱动速度与平台的模量,磁场的空间分布以及被驱动液滴的物理性质等相关,液滴的驱动依赖于基底在磁场下的可逆形变。此磁响应开放平台可以对高粘度的甘油,低表面能的乙醇,具有生物活性的血液,高腐蚀性的浓酸,强碱进行有效操控。多环境下,平台也展现了其潜在优势:在油相中驱动水滴,在水中驱动油滴,曲面运输。微尺度液滴下的化学反应,准确控制试剂的质量,快速混合是十分重要的,这对平台的试剂液滴无损传输和极端耐受性提出了较高的要求。实验表明,平台可用于化学反应,加速高粘度液滴间的混合,充分体现了磁控平台在生物检测、化学反应等领域的巨大应用前景。

相关工作以“Omni-liquid droplet manipulation platform”为题,发表在Advanced Materials Interfaces (DOI: 10.1002/admi.201900653)上,论文第一作者为博士生郭竣畅。