液滴操控對(duì)於熱管理、集水、生物分析、化學(xué)反應(yīng)等方面，均有重要的應(yīng)用。來(lái)自香港城市大學(xué)（城大）的研究團(tuán)隊(duì)早前研發(fā)出多功能液滴靜電「小鉗子」，可於平坦和傾斜表面以及油介質(zhì)中，遠(yuǎn)端操控液滴的移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)證明能在各種基底上操控成分和體積不同的液滴，有潛力應(yīng)用於如高通量生物或化學(xué)分析等範(fàn)疇。

該研究團(tuán)隊(duì)由城大機(jī)械工程學(xué)系（MNE）王鑽開(kāi)教授領(lǐng)導(dǎo)，研究結(jié)果已發(fā)表於科學(xué)期刊《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS) 上，題為〈Electrostatic tweezer for droplet manipulation〉。

液滴的操控現(xiàn)時(shí)一般是通過(guò)在基底的表面構(gòu)建出力梯度（force gradient），或直接在液滴上施加外力，但這些做法都需要基底或者液滴能夠?qū)ν庠诹?chǎng)作出反應(yīng)。加上液滴可變形等種種因素，令現(xiàn)今的液滴操控技術(shù)面對(duì)距離短、低速、受限於操作環(huán)境、要加入添加劑等技術(shù)問(wèn)題。

利用靜電操控液滴

王教授的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述的技術(shù)問(wèn)題，成功研發(fā)出可以對(duì)液滴產(chǎn)生靜電誘導(dǎo)的多功能液滴靜電「小鉗子」（droplet electrostatic tweezer, DEST），以靜電吸引力操控不同數(shù)量、類(lèi)型、體積的液滴移動(dòng)，並可以在相隔數(shù)厘米、不直接接觸液滴的情況下，隔空搬動(dòng)它。

 

研究團(tuán)隊(duì)受固體材料會(huì)出現(xiàn)的靜電感應(yīng)（electrostatic induction，即是在外電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)體中的電荷在導(dǎo)體中重新分佈）現(xiàn)象所啟發(fā)，嘗試將液體中的靜電感應(yīng)，應(yīng)用於液滴的操控上。結(jié)果團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出的DEST技術(shù)，在無(wú)需使用任何添加劑，並在不用接觸到液滴的情況下，以可編程的方式操控液滴的移動(dòng)。

研究人員向鉗尖施加具靜電壓的電壓，配合導(dǎo)電接地（electrically grounded）的基底一同使用。靜電鉗子通電後，在基底上的液滴以及基底本身的電荷會(huì)因?yàn)殪o電感應(yīng)而重新分佈，靜電鉗子因此可以精確地「捕獲」液滴，並在適當(dāng)?shù)碾妷合拢I(lǐng)液滴朝向電極移動(dòng)。

王教授介紹說(shuō)：「DEST是可編程的，實(shí)驗(yàn)證明可以在開(kāi)放的表面和封閉的通道內(nèi)、甚至在油介質(zhì)之中，操控體積由幾十納升到幾毫升不等和數(shù)量不同的液滴。」

_{（視頻一）液滴靜電鉗子可於不同環(huán)境中操作，包括傾斜表面、油介質(zhì)下、以及封閉的通道內(nèi)。（DOI number: 10.1073/pnas.2105459119）}

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研究發(fā)現(xiàn)，DEST可以做到不同的操控模式。例如在引導(dǎo)模式下，研究人員透過(guò)移動(dòng)鉗子及電極，從而引導(dǎo)液滴的移動(dòng)；在捕獲模式下，研究人員則可通過(guò)改變施加在定點(diǎn)電極上的電壓，把液滴吸引到施加了電壓的指定電極位置和停留。而當(dāng)液滴所在位置電壓被關(guān)閉和相鄰電極電壓被打開(kāi)時(shí)，液滴會(huì)繼續(xù)移動(dòng)到相鄰電極的位置，從而實(shí)現(xiàn)了液滴的定向定點(diǎn)移動(dòng)（視頻二）。而於連續(xù)捕獲模式下，由於所有定點(diǎn)電極都被施加了電壓，液滴會(huì)受下一個(gè)電極「吸引」而連續(xù)通過(guò)多個(gè)電極（視頻三）。

_{（視頻二）研究人員在捕獲模式下，通過(guò)改變施加在電極上的電壓，可以移動(dòng)液滴到指定的電極位置。（DOI number: 10.1073/pnas.2105459119）}

^{（視頻三）在連續(xù)捕獲模式下，水滴可以連續(xù)通過(guò)多個(gè)電極。（DOI number: 10.1073/pnas.2105459119）}

對(duì)比起其他液滴操控技術(shù)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的DEST能夠高速、位置精確地操控液滴的移動(dòng)，而且移動(dòng)距離無(wú)限制、方向靈活。技術(shù)的應(yīng)用層面包括操控液滴進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)如沉澱反應(yīng)和顏色反應(yīng)、小型固體物件的運(yùn)載、選擇性的表面清潔，以及高通量表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)（high-throughput surface enhanced Raman spectroscopy detection）。

_{（視頻四）液滴靜電鉗子可用於啟動(dòng)不同的化學(xué)物的微量反應(yīng)、小型固體物件的運(yùn)載和選擇性的表面清潔。（DOI number: 10.1073/pnas.2105459119）}

論文的第一作者、MNE的博士後靳袁凱博士解釋說(shuō)：「我們亦製備出具銀納米顆粒功能化的超疏水基底，這樣被操控的液滴在移動(dòng)時(shí)，就會(huì)攜帶具有等離子體激元特性的銀納米顆粒，在拉曼檢測(cè)中的信號(hào)就會(huì)增強(qiáng)。而當(dāng)液滴完成測(cè)量並被靜電鉗子移走後，後續(xù)的液滴可以被移動(dòng)到激光的位置進(jìn)行測(cè)量，而且測(cè)量結(jié)果互不干擾。這方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是拉曼激光可以對(duì)焦在液滴的任何位置，因此大幅度縮短了測(cè)量時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了高通量液滴信息檢測(cè)。」

王教授總結(jié)團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果說(shuō)：「我們的技術(shù)令操控液滴的可控程度，以及可應(yīng)用的場(chǎng)景增加，同時(shí)簡(jiǎn)化了技術(shù)應(yīng)用時(shí)的程序。而且DEST系統(tǒng)所用的基底加以功能化之後，可以提升化學(xué)及生物分析的功能。」

王教授是該論文的通訊作者，第一作者是靳博士和徐王淮博士。研究團(tuán)隊(duì)來(lái)自城大的成員還包括MNE的張歡歡博士、孫靜博士、楊思艷和劉閔婕博士。其他研究人員則來(lái)自中國(guó)科學(xué)院微電子研究所。

研究獲得城大、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、香港研究資助局、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)的資助而進(jìn)行。

DOI number: 10.1073/pnas.2105459119