水向上流不是夢! 實現(xiàn)液滴高速的長距離自驅(qū)動傳輸新策略！
一直以來，若要在沒有外力推動的情況，在固體表面上高速地傳輸液滴一段長距離，甚至令液滴反地心吸力而行，都是一項艱巨挑戰(zhàn)。不過，由來自香港城市大學(xué)（城大）、三間大學(xué)及研究所的科學(xué)家們組成的研究團隊，于近日研發(fā)出了新方法，能夠讓液滴在不施加外力的情況下，實現(xiàn)自驅(qū)動，高速傳輸一段長距離，并首次實現(xiàn)液滴沿著表面垂直上升。這新策略對于在微流器件、生物分析器件等方面的應(yīng)用打開了新機遇。
傳統(tǒng)傳輸液滴方法包括利用表面的浸潤性梯度（wetting gradient）作為推動力，把液滴從疏水的表面部分推往親水的表面。
不過，這個方法受制于液滴水動力學(xué)︰當(dāng)液滴要以高速傳輸時，需要較大的浸潤性梯度，但這局限了其傳輸?shù)木嚯x；當(dāng)要傳輸較長的距離時，則需要較小的浸潤性梯度，以降低液滴與固體表面之間的粘附力，但這又會使傳輸速度受到限制。
為克服這些挑戰(zhàn)，城大機械工程學(xué)系王鉆開教授與電子科技大學(xué)鄧旭教授、德國馬克斯—普朗克高分子研究所的Hans-Jürgen Butt教授以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究員進行合作，研發(fā)出一套新方法，實現(xiàn)了不同表面上單向和自驅(qū)動的液滴傳輸，而且速度達到歷來最高的1.1m/s，比之前文獻紀(jì)錄的最高速度高出十倍；傳輸距離亦是最長，理論上是無限制。
首創(chuàng)利用表面電荷密度
這次研究成果的關(guān)鍵，在于首次引入「表面電荷密度梯度」（surface charge density gradient, SCD）的概念。
研究團隊首先用連串水滴撞擊特制的「超雙疏」*表面，當(dāng)水滴撞擊到表面時，水滴會立即分散、收縮、再從表面反彈，這導(dǎo)致水滴的電子分離，因而使表面變成帶有負極。
研究人員通過調(diào)控連串水滴撞擊到表面的高度，產(chǎn)生連續(xù)變化，使表面的電荷密度逐步轉(zhuǎn)變并形成一個梯度（gradient）。然后，當(dāng)要傳送的液滴被放到表面時，表面電荷密度梯度便成為液滴的推動力，液滴隨即自動移向電荷密度較高的方向。
不同于以化學(xué)或形態(tài)原理造成的梯度，用這種新方式在表面上形成電荷密度梯度之后，能夠輕易對梯度作出更改，從而改變液滴的傳輸路徑。研究同時顯示，即使在室溫，滴液也不需借助任何外力，實現(xiàn)高速和極長距離的傳輸。
這種液滴傳輸方式不只局限于平坦表面，更可以在具彈性和垂直的表面進行。此外，這方法適用于不同液體的傳輸，包括表面張力低、介電常數(shù)低的液體、血液或鹽溶液。
微流控器件的潛在應(yīng)用
王鉆開教授說︰“這次研究采用表面電荷密度梯度的原理來實現(xiàn)液滴傳輸，是之前未曾有人探索過的。我們相信這次研究成果將打開研究新方向和發(fā)現(xiàn)更多應(yīng)用潛能。例如，在生物醫(yī)藥方面，研究人員可根據(jù)自身需要設(shè)計不同的電荷密度梯度來影響細胞遷移及其他行為。”
鄧教授亦指出，這個新方法將可應(yīng)用于芯片實驗室、微流體器件、生物分析器件，以至材料科學(xué)、流體力學(xué)等范疇。
這次研究剛于最新一期的學(xué)術(shù)期刊《Nature Materials》上發(fā)表，題為“Surface charge printing for programmed droplet transport”。研究獲得國家自然科學(xué)基金委員會、香港的研究資助局、德國馬克斯—普朗克學(xué)會和歐洲研究理事會（European Research Council）的資助。
王教授、Hans-Jürgen Butt教授和鄧教授是論文的通訊作者，第一作者為電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院博士生孫強強。
DOI number: 10.1038/s41563-019-0440-2
本文已于 “香港城大研創(chuàng)” 微信公眾號發(fā)布。
Wechat ID: CityU_Research
相關(guān)故事: