Nano?Energy：基于激光調制的液滴操控技術

導讀:微液滴的可控運輸對于生化分析、藥物輸送等領域具有重要意義。然而，目前大多數液滴控制技術只能支持液滴在二維平面傳輸，無法實現液滴在自由空間的三維輸運。近日，河北工業大學米宇航等人運用摻鐵鈮酸鋰基超疏水表面設計了一種三維液滴路由器（3D droplet-router），實現了微液滴在三維空間的全向路由輸運。該成果以“3D Multimodal, omnidirectional router of aqueous microdroplets based on the synergy of photovoltaic and triboelectric effects”發表在《Nano?Energy》上。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109509

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微液滴的連續受控飛行

靜止液滴的三維全向路由輸運

二維級聯路由輸運

三維液滴路由器的設計：三維液滴路由器包括底層的摻鐵鈮酸鋰晶體（LiNbO₃:Fe），中間層PTFE多孔薄膜和上層的超疏水涂層（氟化SiO₂納米顆粒）。研究人員將摻鐵鈮酸鋰晶體襯底的光伏效應與液滴在超疏水表面的摩擦帶電效應相結合，利用摻鐵鈮酸鋰晶體光伏電荷所激發的吸引或排斥靜電力，提出了多種具有可編程性的液滴輸運模式，例如二維平面內/二維平面外，偏轉/捕獲以及并行/級聯模式（圖1）。

圖1.三維液滴路由器的設計

三維輸運模式：

適用于光敏微滴3D路由輸運模式：作者通過使用適當開/關光占空比的異步輻照，避免含有光敏物質的微液滴在三維輸運時受到激光的直接照射（圖2）。

圖2.?適用于光敏微滴3D路由輸運模式

靜止液滴的三維全向路由輸運模式：作者提出環形激光掃描輻照策略，通過降低局部區域的掃描速度，建立不對稱光伏電場從而對微液滴施加傾斜的排斥力，迫使微液滴向低速掃描區域的相反方向彈跳（圖3）。

圖3.靜止液滴的三維全向路由輸運模式

運動液滴的三維全向路由輸運模式：作者提出線形激光掃描輻照策略，實現了運動微液滴的三維全向路由輸運，其中液滴的運動方向和彈跳軌跡由液滴初始運動路徑與線形激光掃描中心點的位置偏差控制（圖4）。

圖4.運動液滴的三維全向路由輸運模式

基于交叉點D的三維全向路由輸運

三維級聯輸運模式：研究人員利用激光打標系統實現多區域激光輻照，可以根據需求在操控基底上創建功能(捕獲/偏轉)區域，實現液滴在自由空間內的級聯輸運。其中，作者通過適當調節排斥性光伏電場的分布，實現了微液滴的連續受控飛行（圖5）。

圖5.三維級聯路由輸運模式

總結：三維液滴路由器為微液滴在自由空間內的三維輸運提供新的思路，其快速、無損的精確操控方式不僅在醫療檢測和生化分析等領域重要意義，而且在液滴機器人、微流控加工等領域具有廣闊應用場景。

作者介紹：
米宇航：2022年獲得河北工業大學材料工程碩士學位。目前就職于中芯國際集成電路制造(天津)有限公司。目前的主要研究興趣為液滴的光電懸浮控制、液滴微流體的新型操縱技術、電子器件的制造與表征。

槐澤超：河北工業大學材料與化學工程專業碩士研究生。目前在河北工業大學材料科學與工程學院從事科研工作。主要研究方向為光電操控和摩擦起電效應。

閻文博：2001年畢業于南開大學光學專業，獲學士學位，2006年獲博士學位。2009年赴意大利帕維亞大學量子電子實驗室從事博士后研究一年。現任河北工業大學材料科學與工程學院材料物理專業正教授。他目前的研究重點是鈮酸鋰晶體和相關光子學應用。