中科院深圳先进院杜学敏研究员团队 NSR：光控“液滴机器人”

2022-08-25 来源：高分子科技

液滴操控对于基础研究和诸如生化反应、诊断分析等实际应用都尤为重要。尽管采用电场、磁场等外场操控液滴备受瞩目且取得较大进展，但这类液滴操控通常需借助大型设备、复杂的电极设计，或需添加电/磁响应性材料，极大影响液滴操控的灵活性与持久性。光作为非常典型的外场之一，虽可通过光化学、光机械、光诱导马兰戈尼效应，或光诱导电场等策略，将光转变为液滴运动的驱动力进而克服上述问题，但仍面临新的挑战：一方面，由于光产生的驱动力很大一部分被界面阻力抵消，导致液滴运动速度慢、距离短且灵活性差；另一方面，采用紫外光、光响应性试剂或因光导致的损伤等问题，使其在无污染、生物相容性好、可靠性需求高的生化领域应用面临挑战。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院杜学敏研究员团队，构建了一种基于智能高分子材料的新型超双疏表面（photo-induced charged superamphiphobic surface, PICS）。该PICS结合了光与电的双重优势，通过光热诱导表面电荷实时、高效、持续再生能力，实现光控液滴高速、长距离、多模态、群体精准运动，并进一步拓展到具有环境感知功能的液滴机器人及细胞输运等生物应用。

光控液滴高速长距离运动

液滴机器人在管内搬运物体

研究团队采用具有高效光热与导热性能的液态金属颗粒（LMP），与具有独特铁电效应的聚偏氟乙烯-三氟乙烯聚合物（P(VDF-TrFE)）复合，成功构建了一种基于智能高分子材料的新型超双疏表面——PICS，通过开尔文探针力显微镜（KPFM）揭示了该智能高分子材料表面电荷实时、原位、高效再生能力；研究发现，PICS在较低光强的近红外光（NIR，42 mW cm^-2）照射下，毫秒级内即可产生表面电荷密度高达252 pC mm^-2，且表面电荷高效再生能力在较高环境湿度（~90%）与温度（~70 ℃）等极端环境下几无影响，其电荷高效再生性能在持续10000次光照循环后仍维持稳定。

图1：大面积制备具有优异力学特性的PICS及其光诱导电荷实时再生性能。

基于PICS独特的光与电双重优势，研究团队实现了PICS上光控液滴高速（8 μL水滴，平均速度：~ 35.9 mm s^-1）、长距离、多模态（向前、向后、旋转）、集体定向运动，且光控液滴高速运动在较高环境湿度、逾100次循环后仍能维持稳定，并可拓展到如高浓度氯化钠（1 M）等复杂溶液；研究团队还采用麦克斯韦应力张量模型分析验证了光控液滴运动机制。

图2：PICS上光控液滴多模态、高效、稳定循环运动。

在此基础上，研究团队进一步实现了光操控液滴在液滴机器人领域应用：光操控液滴在PICS共形贴合的管内搬运物体、穿梭小隧道、清除粉末、避障运动，及光操控液滴运动并通过液滴肉眼可见的颜色变化实时感知环境磁场变化；此外，研究团队还拓展了液滴机器人在细胞输运、生化检测等生物领域应用。

图3：PICS上采用手持激光笔操控液滴机器人。

PICS融合了光与电的双重优势——通过光诱导表面实时、高效与稳定电荷再生，实现液滴灵活、高速、长距离及按需操控，拓展了光控液滴在液滴机器人领域应用；其操控条件温和且生物相容性好，极大促进了光操控液滴在细胞输运、生化检测等领域应用。这类新型的光诱导表面带电的智能高分子材料及其灵活、高效、可靠的液滴操控能力，有望促进智能界面材料、微流体及其在生物与化学等领域应用的发展。该论文第一作者是中国科学院深圳先进技术研究院博士后王芳、刘美金、博士生刘聪，论文通讯作者为中国科学院深圳先进技术研究院杜学敏研究员；团队其他成员及华东师范大学张利东教授、胡志高教授等合作者均为该研究做出了重要贡献。苏州大学何乐教授与香港城市大学王钻开教授为该工作提供了帮助。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、广东省区域联合基金重点项目、深圳市学科布局等科技项目资助。

原文链接： https://doi.org/10.1093/nsr/nwac164

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（责任编辑：xu）

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