中科大 Nano Letters：飛秒激光直寫和柔性轉印制造的3D多功能磁響應液體操縱器

【背景介紹】

自然界中，生物利用其獨特的表面結構來定向和自發地運輸液滴。在實際應用中，液滴操縱對生物檢測和化學微反應至關重要。但是，模仿生物靜態結構的人造被動式液滴操縱表面通常效率低且不可逆。而與之相對的磁響應智能形貌（MIT）表面有生物相容性好、瞬時響應等優勢，在主動式液滴操縱領域備受期待。雖然各種MIT表面已廣泛用于可控的液滴運輸，但是它們只能實現單向運輸（水平或垂直）。同時，現有的MIT表面仍存在以下不足：（1）MIT表面要實現三維（3D）液滴/多液滴運輸仍然具有挑戰性；（2）由于對重力或表面張力不平衡的依賴，具有磁響應彎曲結構的MIT表面的液滴水平推進速度有限；（3）由于結構幾何形狀（微柱/微纖毛陣列）和驅動策略（常規磁場引起彎曲）的限制，MIT表面很難操縱多樣化的離散液滴和連續流體。因此，亟需尋求一種3D、快速且多功能的液體操縱MIT表面。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學吳東教授、胡衍雷副教授（共同通訊作者）等人報道了一種基于由空間變化、周期性磁場驅動的磁響應微板陣列（MMA）的3D液滴/多液滴運輸策略。其中，改性的超疏水表面（SMMA）可以在水平和垂直方向上快速運輸液滴，甚至可以實現反重力上坡推進。由于特定磁場引起的改性表面的順序性突然反轉，液滴可以在水平方向上被快速地推進（?58.6 mm/s）。此外，作者還制備了一種非磁性響應微板/磁響應微板陣列（NMMs/MMA）復合表面以用于實現3D多液滴操作。進一步實驗證實，MMA除了可以實現離散液滴的操縱，還可以用于連續流體和液態金屬的操縱，為微流體的應用提供了一個有價值的平臺。研究成果以題為“Three-dimensional multifunctional magnetically-responsive liquid manipulator fabricated by femtosecond laser writing and soft transfer”發布在國際著名期刊Nano Letters上。

該論文第一作者為中國科學技術大學微納米工程實驗室博士生蔣紹軍，通訊作者為胡衍雷副教授,吳東教授。

【圖文解讀】

圖一、SMMA的制造過程及其獨特的3D液滴操縱
（a）MMA和SMMA的制造過程示意圖；

（b）MMA的SEM圖像；

（c）SMMA的SEM圖像；

（d-e）SMMA的放大SEM圖像；

（f-g）液滴的水平推進和垂直捕獲/釋放的示意圖和光學圖像。

圖二、SMMA的磁響應特性以及液滴的水平運輸機制
（a）磁場仿真和微板彎曲示意圖；

（b）磁鐵陣列不同位置的磁通密度和微板彎曲角度；

（c）在周期性磁場激勵下，液滴在SMMA表面上的水平運輸示意圖；

（d）在SMMA表面上的液滴運輸過程的光學圖像；

（e-g）液滴運輸速度與磁鐵陣列速度、液滴體積和微板間隔的關系；

（h）液滴運輸距離與時間的關系。

圖三、液滴在SMMA表面上的水平操縱和反重力推進
（a-b）在周期性磁場激勵下，液滴在SMMA上往復運輸的示意圖和光學圖；

（c-d）液滴在超疏水修飾的NMMs/MMA復合表面上定向推進以及混合的示意圖和詳細工作過程圖像；

（e）基于快速液滴水平推進和微觀定點合并的簡單化學反應；

（f）液滴爬上傾斜角約5.4^o的SMMA表面。

圖四、垂直液滴操縱機制和基于垂直液滴操縱的多樣化應用
（a）垂直液滴操縱的光學圖像；

（b）垂直液滴操縱的機理；

（c）液滴體積和釋放角（α）之間的定量關系；

（d）不同微板間隔的未經處理的MMA和SMMA的垂直液滴操縱能力；

（e）垂直捕獲、水平運輸和按需釋放液滴；

（f）利用超疏水修飾的NMMs/MMA復合表面現并行垂直捕獲和選擇性釋放多液滴。

圖五、基于MMA表面的連續流體和液態金屬的操縱
（a）在微流控芯片中遠程操控流體混合的示意圖和照片；

（b-c）在周期性磁場激勵下，液態金屬液滴通過MMA的順序突然反轉被定向推進；

（d）液態金屬（LM）液滴和極性變化區域（PCR）的運動曲線。

【小結】

綜上所述，作者開發了一種基于空間變化、周期性磁場驅動的磁響應液體操縱器來實現3D液滴/多液滴運輸。基于由周期性磁場引起的微板陣列高頻連續反轉，液滴的水平推進速度可以達到?58.6 mm/s，比其他的磁響應彎曲表面的液滴推進速度快。同時，磁響應液體操縱器還可以實現水平推進、反重力爬升推進、垂直定點捕獲/目標點釋放等3D液滴運輸模式。此外，NMMs/MMA復合表面可用于快速微觀定點合并、微化學反應和多液滴并行捕獲/選擇性釋放等3D多液滴操作。微板陣列可以進一步用作微混合器以實現遠程混合連續流體。此外，作者還利用該操縱器實現了無涂層和無化學反應的液態金屬定向推進。所制備的磁響應操縱器具有多種液體操縱功能，為微化學和微流體領域的3D多功能液滴操縱提供了新平臺。

文獻鏈接：Three-dimensional multifunctional magnetically-responsive liquid manipulator fabricated by femtosecond laser writing and soft transfer （Nano Letters, 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02997）

通訊作者簡介

胡衍雷，中國科學技術大學副教授。研究方向：超快激光微納米加工技術、微納米光子學、仿生表面和結構制造。2007年本科畢業于中國科學技術大學精密機械與精密儀器系，2012年獲中國科學技術大學工學博士學位，2009.10-2010.10德國弗勞恩霍夫激光技術研究所（Fraunhofer ILT）聯合培養博士。曾在中國科學技術大學、澳大利亞斯威本科技大學(Swinburne University of Technology)做博士后研究，主要研究方向為超快激光微納米加工技術，微納米光子學，仿生表面和結構制造等。近年來在PNAS, Advanced Materials, Advanced Functional Materials， Light:Sci & Appl., ACS Nano, 科學通報等權威期刊發表SCI論文40余篇，研究成果多次被國內外媒體關注報道，包括國外學術網站High-Beam, Phys.org, Nanowerk以及國內新華網，光明日報，科技日報，中國科學報，人民網等。郵箱: huyl@ustc.edu.cn

吳東，中國科學技術大學教授。研究方向：激光微/納加工、微納米技術、先進精密制造、激光干涉技術 微光學器件、微機械（MEMS）、微芯片實驗室、仿生功能結構。吳東教授于2005年在吉林大學電子科學與工程學院開始讀研，師從孫洪波教授，2010年6月獲博士學位，2012年榮獲全國優秀百篇博士論文獎。2011年6月在日本理化學研究所（RIKEN）做博士后，2014年中國科學技術大學教授。吳教授的科研方向主要集中利用超快激光與材料的非線性作用和計算機控制掃描實現多種材料、高精度、三維加工和復雜造型能力，并提出了若干加工新原理和關鍵技術，以及將其應用于微光學、微機械、微流控和仿生表面等微納結構和器件的制備，在Nature Photonics, Nature Communications, Light:Sci & Appl. (2篇，Nature系列子刊，1篇入選ESI“高被引論文”)，PNAS(美國科學院院刊)，Adv.Mater.，ACS Nano.，Laser Photon.Rev., Lab Chip（6篇，微流芯片領域top期刊）, APL（11篇），Opt.Lett./Opt.Express（15篇）等雜志發表相關論文70余篇，其中影響因子3.0以上62篇，9.0以上17篇。所發表的論文被雜志封面采用、專題評價、最高下載和轉載累計50篇次，已被他引3000余次。相關研究受到中科院儀器專項、科技部重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持。擔任中國機械工程學會微/納制造技術分會委員；LTO/CIOP國際光學會議委員；中國科協2018年青年科學家論壇共同執行主席；科技部重點研發計劃會評專家；《中國激光》和《Frontiers of Optoelectronics》雜志的青年編委。2020年當選美國光學學會（OSA）旗下Top期刊Optics Letters的編輯（Topical editor）。郵箱: dongwu@ustc.edu.cn

團隊在該領域工作匯總：

1. 磁場激勵多功能雙面神微板陣列用于水/光開關以及仿生同化著色。Multifunctional Janus Microplates Arrays Actuated by Magnetic Fields for Water/Light Switches and Bio-Inspired Assimilatory Coloration。Adv. Mater. 2019, 31, e1807507. 論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201807507. DOI：10.1002/adma.201807507.

2. 仿生跨物種各向異性表面利用單向微柱波實現主動式液滴運輸。Cross-species Bio-inspired Anisotropic Surface for Active Droplets Transportation Driven by Unidirectional Microcolumn Waves. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020. 論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c10034. DOI: 10.1021/acsami.0c10034.

3. 在石蠟灌注微溝槽滑移表面利用原位切換焦耳熱實現超低電壓驅動多種液滴各向異性滑動的智能控制。Ultralow-Voltage-Driven Smart Control of Diverse Drop’s Anisotropic Sliding by In Situ Switching Joule Heat on Paraffin-Infused Micro-Grooved Slippery Surface. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 1, 1895–1904. 鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b17936. DOI: 10.1021/acsami.9b17936.

4. 超低電壓下不同液體滑動與釘扎的原位可逆控制。 In Situ Reversible Control between Sliding and Pinning for Diverse Liquids under Ultra-Low Voltage. ACS Nano 2019, 13, 5, 5742–5752. 鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b01180. DOI: 10.1021/acsnano.9b01180.

5. 微槽滑移表面通過單向機械拉伸在各向同性和各向異性滑移之間的可逆調諧。Reversible Tuning between Isotropic and Anisotropic Sliding by One-Direction Mechanical Stretching on Microgrooved Slippery Surfaces. Langmuir 2019, 35, 32, 10625–10630. 鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.langmuir.9b01035. DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b01035.

相關優質文獻推薦：

1. Zhu S, Bian Y, Wu T, et al. High Performance Bubble Manipulation on Ferrofluid-Infused Laser-Ablated Microstructured Surfaces. Nano Letters, 2020, 20(7): 5513-5521. 鏈接： https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c02091. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02091.

2. Zhang Y, Jiao Y, Li C, et al. Bioinspired micro/nanostructured surfaces prepared by femtosecond laser direct writing for multi-functional applications. International Journal of Extreme Manufacturing, 2020. 鏈接： https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ab95f6/meta DOI： 10.1088/2631-7990/ab95f6.

3. Haoyu Dai, et al, Directional liquid dynamics of interfaces with superwettability, Sci. Adv. 2020. 鏈接： http://advances.sciencemag.org/content/6/37/eabb5528. DOI：10.1126 / sciadv.abb5528.

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