光响应液滴操控功能表面研究及应用进展
1 引言
自然界中,许多生物都具有输运或收集液滴的本领[1-2],例如:荷叶表面兼具超疏水与低黏附的特性,能实现叶面的“自清洁”[3-6];蝴蝶翅膀拥有规则排列的防水鳞片,能快速排走雨滴让蝴蝶在雨中也能飞行[7-8];仙人掌的尖刺生有多级沟槽结构,能够收集空气中的液滴并输运到其根部[9-11];沙漠中的甲虫、蜥蜴等动物会通过外壳、鳞片上的亲/疏水复合结构收集液滴[12-14],等等。
在过去的几十年里,人类从大自然中获取灵感,制备出了许多能够实现液滴输运、收集、分离等操控的功能表面[15-19]。起初,人们主要利用材料的润湿性操控液滴的输运与收集。例如,Li等人[20]通过热解法制备的碳纳米管膜具有类似荷叶的超疏水特性,膜表面的接触角达到160°,滚动角仅为3°,在输运微量液滴、防污、防锈等方面都有广泛的用途。Yang等人[21]基于光刻在多种材料上构建了能提供拉普拉斯压力的沟槽状功能结构,材料上的液滴不需依靠外力即可沿着表面连续移动。Zheng等人[22]基于尼龙纤维加工了具有周期性纺锤结构的“蛛丝”。当其暴露于雾下,小水滴就会在“蛛丝”上随机凝结,之后水滴随着体积的增加将自发向“蛛丝”上的纺锤节点输运,在水雾收集以及液滴传输等领域展现了广阔的应用前景。受沙漠生物启发,Ghosh等人[23]设计了超疏水与超亲水相结合的楔形图样润湿表面,利用表面所产生的拉普拉斯压力,液滴可以克服一定重力实现由低至高的输运。
随着时间的推移,仿生润湿性功能表面的“被动式”液滴操控已逐渐不能满足人们的生产生活需要。发展能够通过响应外界激励进行液滴“主动式”操控[24-25]的功能表面对液滴操控具有重要的意义。例如,Malvadkar等人[26]提出了利用外界机械振动来操控液滴运输,他们将一种含有纳米棒结构的材料沉积在固体衬底上形成具有各向异性润湿性质的膜层,然后将随机的机械振动施加在衬底上,表面的液滴会因膜层各向异性的润湿性质向特定的方向移动。Tian等人[27]报导了一种基于智能磁性流体/纳米阵列界面的液滴快速响应和操控方法。他们将磁流体(Fe3O4纳米颗粒与硅油)注入带有ZnO纳米棒的多孔表面里,通过调制磁场控制磁流体变化以构建表面液滴的不对称形变,即可控制液滴的输运方向。Cheng等人[28]在形状记忆聚合物材料(shape-memory polymer, SMP)上通过聚合双酚A型环氧树脂、正辛胺和间苯二甲胺获得了具有微纳米柱结构的功能表面,通过按压微柱以及微柱的记忆恢复可以实现荷叶状和稻叶状等润湿状态的切换以及液滴的可控运输。Rao等人[29]通过在氟聚合物薄膜掺杂Fe3O4纳米颗粒,并采用氟化离子液体作为润滑剂,制备了磁热光热双响应的智能润湿性表面。该功能表面能将磁、光激励信号转化为热,通过表面局域温度控制液滴在滑动与钉扎状态之间切换。
在众多润湿性可响应液滴操控的方法中,光操控[30-33]因其指向性好、抗磁干扰能力强、远程非接触等优点,获得了人们极大的关注。
图 1. 光响应液滴操控功能表面发展概况
Fig. 1. Development of photo-responsive droplet manipulation functional surface
本文回顾了液滴操控功能表面的发展历程,重点介绍了光响应液滴操控功能表面的基本原理,梳理并总结了其目前的类型,分析了其构造特点并介绍了相应的实现方法。此外,介绍了光响应液滴操控功能表面在液滴输运、融合、分割以及其在微流控器件、生物培养等领域的应用进展。最后,本文对光响应液滴操控功能表面的发展趋势和未来潜在应用进行了展望。
2 光响应液滴操控原理
基于光响应的液滴操控技术,主要基于光热、光电效应引发的表面张力变化、机械形变、物态转变,电泳力以及光电润湿效应等来实现液滴的输运、分裂、融合捕获等操控。
2.2 光热效应
2.2.1 润湿梯度力
当液滴两侧材料张力不同时,液滴会由于两侧的接触角不同而产生润湿梯度力驱动液滴发生定向移动。
图 2. 润湿梯度力操控液滴输运原理[41]。(a) 液滴平衡状态接触角示意;(b) 光热效应引发润湿梯度力驱动液滴;(c) 液滴输运受力分析
Fig. 2. Schematic of droplet transportation by wetting gradient force[41]. (a) Contact angle of equilibrium droplet; (b) Gradient force upon droplet induced by photo-thermal effect; (c) Stress analysis of droplet transportation
如
其中:γla,γoa与γol分别为液-气、油-气和油-液界面的张力。
如
此时,液滴除受到了非对称接触角而产生的
2.2.2 相变
石蜡在熔化与凝固状态下对液滴的粘滞不同,因此可以通过控制石蜡相变实现对液滴的操控[46-47]。通常,石蜡被浸注到多孔的光热材料(如:碳纳米管、石墨烯、ZnO-Pt等),如
图 3. 光热响应石蜡相变超滑表面液滴操控机制[45]。(a) 液滴滑动受力分析;(b) 不同相下液滴滑动效果
Fig. 3. Mechanism of droplet manipulation on photo-thermal paraffin phase-change ultra-slippery surface[45]. (a) Stress analysis of droplet sliding; (b) Sliding of droplets in different paraffin phase
图 4. “空腔辅助”超疏水表面光热液滴弹跳[48]
Fig. 4. Photo-thermal bouncing of droplet on a cavity trap-assisted superhydrophobic surface[48]
2.2.3 机械形变
基于光热效应调控SMP材料表面功能结构的机械形变,可以使功能表面呈现出不同的浸润状态进而操控液滴。如
图 5. 光热形状记忆液滴操控功能表面润湿性切换机理[40]
Fig. 5. Mechanism of wettability conversion in the photo-thermal shape-memory polymer functional surface[40]
当NIR光照射材料时,吸热颗粒吸收光能使材料温度迅速升高。当达到热塑型SMP的玻璃化转变温度Tg时,材料中固定相分子链仍为固化状态,而可逆相分子链微观布朗运动加剧使材料变得柔软。在这种情况下,给予表面一定的压力使微柱沿同一方向倾倒,随后移除NIR照射使材料温度降到Tg以下“冻结”可逆相分子链,材料将达到稳定的新型态,即变形态(SMP材料分子链构象为较低的熵态)。此时,由于微柱阵列的倾倒液滴与功能表面微结构的接触面增大,原来液滴与微结构之间的空气层随之被极大地削弱,液滴与功能表面的接触状态由Cassie态转变为Cassie-Wenzel态,水滴由原来的易滚动转变为钉扎状态。
当再次使用NIR照射SMP材料,使其达到玻璃化转变温度时,可逆相分子链将再次恢复活动能力,材料重新变得柔软。在固定相分子链的作用下,SMP功能表面回到构象熵最高的状态,倾倒的微柱恢复到直立微柱形状。此时,液滴与表面的接触回归Cassie态,液滴也恢复易滚动的状态。该类功能表面通过NIR光照射,可以远程、选择性地释放水滴,对于无损液体操控方面有潜在的应用价值[49-50]。
2.3 光电效应
2.3.1 介电泳力
当光激励功能表面产生不均匀的电荷分布时,介电泳力可以操控液滴进行输运。
图 6. 光热释电功能表面液滴操控原理[39]。(a) 介电泳力生成机制;(b) 液滴操控示意
Fig. 6. Schematic of droplet manipulation on photo-pyroelectric functional surface[39]. (a) Generation of dielectric electrophoresis force; (b) Manipulation process
如
其中:r0为液滴半径,r为液滴与电场中心距离,k为Clausius-Mossotti因子,ε0与ε为空气与液滴的介电常数,
铌酸锂晶体是一种三方晶系,具有很高的铁电性以及相关的光学性质。当掺杂铁离子时,会表现出很高的体光伏效应(bulk photovoltaic effect, BPE)[52]。如
图 7. 光伏功能表面液滴操控原理[51]。(a) 铁杂质给体与受体能带及电子传递示意;(b) 铌酸锂晶体中Fe2+电子定向光激发示意;(c) x-cut铌酸锂晶体电场分布;(d) z-cut铌酸锂晶体电场分布
Fig. 7. Mechanism of droplet manipulation on photo-voltaic functional surface[51]. (a) Sketch of the donor and acceptor levels of iron impurities and electron transport; (b) Schematic of directional photoexcitation of an Fe2+ impurity in the lithium niobate crystal, schematic of photo-voltaic electric field lines near the surface for (c) an x-cut crystal and (d) a z-cut crystal
2.3.2 光电润湿效应
此外,光电润湿效应[54]也是目前光操控液滴的重要手段。电润湿指的是当在电介质上施加外部电场时,液滴的润湿性质会发生转变,液滴接触角的变化可以由Young-Lippmann[55]公式来描述,
其中:θ0为平衡状态接触角,ε0与ε为介质的真空与相对介电常数,d为介电层厚度,σLV液-气界面张力,U为产生的电势。一般电润湿所需设备通常伴随着复杂的制造工艺,用于二维阵列电极的图案化和布线,光电润湿技术则弥补了这种缺点,通过光控制光敏材料,以取代复杂的电极。基于光电润湿效应的液滴操控表面,主要包含光热层、热释电层和超疏水层。光热层吸收光能后加热热释电晶体,材料自发极化强度下降,功能表面上产生的额外电荷形成电压U,如
图 8. 光热释电效应调制材料电润湿性[53]
Fig. 8. Electric wettability translation modulated by photo-pyroelectric effect[53]
3 光响应液滴操控功能表面实现方法
根据液滴驱动力的特征,光响应液滴操控功能表面可划分为“光-热型”与“光-电型”。
3.2 光-热型
图 9. 光-热型液滴操控表面构造及液滴操控示意。(a) 硅油浸注型[37];(b) 石蜡浸注型[38];(c) 记忆型[40]
Fig. 9. Structure and operation of photo-thermal droplet manipulation surfaces which are categorized as the (a) silicone oil infusion[37], (b) paraffin infusion[38], and (c) shape-memory[40]
当NIR照射光热层时,由于热效应造成润滑层的张力或者粘滞力下降,因而液滴会在润湿梯度力或重力的驱动下发生移动;当移除NIR后,润滑层张力或者粘滞力恢复,液滴就会停止移动。如
3.2.4 光热层基材制备
光热层主要由柔性材料(如:PDMS、聚偏二氟乙烯PVDF、SMP等),掺杂吸热材料(如:Fe3O4、石墨烯、碳纳米管等)制备而成。
以Fe3O4-PDMS光热层基材的制备为例。Fe3O4纳米颗粒在NIR波段有很强的光热效应,被广泛应用于各类光响应场合中。由于PDMS本征疏水,Fe3O4本征亲水,因此Fe3O4纳米颗粒在分散到PDMS前需要疏水处理:首先将硅烷偶联剂溶于无水乙醇,加入冰乙酸将PH值调至6.0;然后,将Fe3O4加入硅烷偶联剂中超声分散后在20 ℃水浴中反应2.5 h;待Fe3O4纳米颗粒沉淀后去除上清液并加入乙醇洗涤后,在45 ℃下真空干燥去除溶剂。
随后,将经硅烷偶联剂处理的Fe3O4纳米颗粒溶于三氯甲烷形成磁流体,30 ℃水浴超声反应0.5 h后加入PDMS预聚物继续超声水浴0.5 h;最后,经通风搅拌以及真空干燥移除三氯甲烷后将PDMS固化剂(预聚物与固化剂比例10:1)倒入上述磁流体中,充分搅拌得到Fe3O4-PDMS光热基材,Fe3O4的掺杂比通常为5 wt%。
此外,ZnO-Pt也能作为NIR波段光热响应材料[56]。该光热层则主要采用水热合成的方法,在氧化铟锡ITO衬底上生长ZnO纳米柱阵列后沉积Pt纳米颗粒获得。首先,将醋酸锌溶于2-甲氧基乙醇中,在室温搅拌20 min,然后加入乙醇胺,搅拌2 h得到种晶溶液;将六水合硝酸锌、六亚甲基四胺溶于去离子水中,室温搅拌2 h制备生长液;然后,在ITO基底上旋涂晶种溶液后在270 ℃下进行退火形成了种子层再将ITO基底悬浮于生长液中;在80 ℃下生长6 h后取出ITO基底,冲洗后在80 ℃下干燥2 h获得ZnO纳米柱阵列;最后,采用真空溅射方法将Pt纳米颗粒沉积到制备好的ZnO纳米柱阵列基底上,得到光热层。
3.2.5 液滴操控功能表面微纳结构加工
光热效应型液滴操控表面通常通过激光烧蚀或模板法来获得微纳米结构。飞秒、皮秒以及纳秒脉冲激光具有能量高、加工精度高以及加工对象丰富等优点,在功能表面加工方面有着广泛的应用[57-60]。如
图 10. 激光烧蚀加工微纳功能表面。(a) 激光烧蚀加工示意图[40];(b)飞秒激光烧蚀加工[40];(c) 皮秒激光烧蚀加工[50];(d) 纳秒激光烧蚀加工[47]
Fig. 10. Laser ablation machining of micro and nano functional surfaces. (a) Schematic of laser ablation[40] ; (b) Femto laser ablation[40]; (c) Picosecond laser ablation[50]; (d) Nanosecond laser ablation[47]
Gao等人[41]则主要采用具有周期性亚微米孔结构的阳极氧化铝AAO作为模板在光热层上制备微纳功能结构。如
图 11. AAO模板法加工光热层微纳功能结构[41]
Fig. 11. Reverse moulding of photo-thermal layer micro-nano functional structure with AAO[41]
3.2.6 润滑层
光热效应型液滴操控功能表面润滑层分为非相变材料(如:硅油,氟油,油酸等);以及相变材料(主要为石蜡)。润滑层通常具有较低的表面张力,适中的黏度,较低的蒸发压力以及化学惰性。非相变材料润滑层降低了液滴滑动的摩擦力,同时也是液滴操控功能表面产生润湿梯度力的媒介。如
图 12. 液滴在润滑层上的接触角与滚动角变化。(a) 非相变型润滑层[41];(b) 相变型润滑层[56]
Fig. 12. Variation of contact and sliding angle of droplet on photo-thermal functional surface lubricant layers. (a) Non-phase transition lubricant layer[41]; (b) Phase transition lubricant layer[56]
相变型润滑层主要依靠不同相时材料对液滴的粘滞力不同实现对液滴的操控。如
3.3 光-电型
基于介电泳力,电润湿及光电导效应实现液滴操控的可称为光-电型液滴操控功能表面。
图 13. 光-电型液滴操控表面构造及液滴操控示意。(a) 光-热释电介电泳力型[39];(b) 光伏效应介电泳力型[51];(c) 光-热释电润湿型[53];(d) 光电导-电润湿型[61]
Fig. 13. Structure and operation of photo-electric droplet manipulation surfaces which are categorized as the (a) photo-pyroelectric dielectric electrophoresis force[39], (b) photo-voltaic dielectric electrophoresis force[51], (c) photo-pyroelectric wettability[53], and (d) photo-conductive electric wettability[61]
基于光-电润湿的液滴操控表面包括基于光-热释电润湿型,以及基于外加电压的光电导-电润湿型。如
光致电效应型表面与光热效应型功能表面光热层组成、制备方法基本相同。
3.3.7 超疏层加工
基于玻璃材质的超疏层往往需要经过化学刻蚀在表面形成亚微米及纳米量级结构,随后用低表面能试剂处理,达到超疏水、疏油效果。
Li等人[39]的工作中,光-热释电介电泳力型液滴操控表面的超疏水结构为基于化学刻蚀得到的二氧化硅纳米网络。首先,在盖玻片上熏镀一层碳纳米颗粒,然后将盖玻片与四乙氧基硅烷和氢氧化氨放入干燥器中真空沉积18 h;碳纳米颗粒充当了化学刻蚀的保护模板,使玻璃表面上未保护的区域与化学试剂反应,刻蚀出纳米网络结构;随后,将样品在550 ℃的条件下退火3 h,去除碳纳米颗粒;最后,使用等离子清洗机在高功率下对退火样品进行5 min的空气等离子清洗处理。化学刻蚀的二氧化硅纳米网络如
3.3.8 光电导电极加工
光电导电极是光电导-电润湿型液滴操控功能表面的“开关”,如
图 15. 光电导-电润湿型液滴操控表面功能单元[61]
Fig. 15. Basic functional units of photo-conductive electric wettability surface[61]
4 光响应液滴操控功能表面的应用
目前,基于光响应液滴操控功能表面可以实现液滴输运、融合与分割、抓取与释放等多样化的液滴操控,并逐步在“液滴机器人”、微流控芯片、生物、化学分析等领域得到应用。
4.2 输运、融合与分割、抓取与释放
目前,光响应液滴操控功能表面可以对水、乙醇、硅油等多种成分的液滴实现光的远程操控输运[62-65]。如
图 16. 光操控不同类型液滴输运效果。(a) 光-热润滑剂浸注型功能表面液滴输运[37];(b) 光-热释电介电泳力型功能表面液滴输运[66];(c) 基于润滑剂浸注型通道内的液滴输运[67]
Fig. 16. Transportation of different droplets by light with (a) lubricant infused functional surface[37], (b) photo-pyroelectric dielectric electrophoresis force functional surface[66], and (c) tunnel based on lubricant infused material[67]
液滴的融合与分裂是分析化学以及高通量检测中的重要手段[68-69],人们通常利用微流控芯片结构导引液滴融合,或采用特定结构产生的界面张力变化而使液滴分裂。光响应液滴操控表面则提供了一种灵活、高精度的液滴融合与分裂手段。Li等人[39]通过光热效应诱导铌酸锂晶体产生的介电泳力能够驱动0.001~200 μL的液滴,实现液滴的融合,
图 17. 液滴融合与分割[39]。(a)液滴融合;(b)液滴分割;(c)液滴体积分配
Fig. 17. Droplet merging and splitting with light[39]. (a) Merging of droplets; (b) Splitting of droplet; (c) Dispensing of droplet
如
图 18. 液滴抓取与释放。(a) 操控液滴选择性释放[40];(b) 基于“光学移液枪”抓取与无损转移液滴[53]
Fig. 18. Capture and release of droplets. (a) Selective releasing of droplet with light remote control[40]; (b) Capture and lossless transfer with optical pipet[53]
4.3 “液滴机器人”
Wang等人[70]开发了一种具有高效的光热以及独特铁电效应的新型复合光电材料(photo-induced charged surface, PICS)。该表面不但具有优良的超疏水性,还具有实时、高效以及持续的电荷产生能力,可以驱动8 μL水滴以平均速度35.9 mm/s的速度运动,还可以实现液滴多种模式(如:向前、向后和旋转)的运动控制,从而实现了灵活多功能的“液滴机器人”。如
图 19. “液滴机器人”挪移物体,穿越通道以及清洁污渍[70]
Fig. 19. Manipulate a droplet to move a cargo, go through a tunnel, and clean the stains[70]
Ren等人[71]报导了基于光伏效应的光响应液态金属(liquid metal, LM)操控功能表面。该表面由光电晶体管,铜电极阵列以及石墨烯电极构成并使用透明环氧树脂进行了封装。在实验中,功能表面与液态金属置于NaOH溶液环境中,当NIR激光照射晶体管时,由于光伏效应光点处将产生一个指向铜电极的电位梯度,这将导致溶液与LM之间电双层电荷分布发生变化从而引发了界面张力的变化,最终产生了马兰戈尼力驱动LM液滴向光点位置移动。如
图 20. 光操控液态金属“运载机器人”在液体环境中运动[71]
Fig. 20. Motion of liquid metal “vehicle robot” in liquid condition with light manipulation [71]
Paven等人[72]利用聚吡咯和碳黑粉末作为涂层包覆液滴,制备形成了液体弹珠(liquid marbles, LMs)。涂层可以隔绝液滴与外界,使其具备良好的稳定性,当LMs漂浮在水面并使用NIR激光照射时,聚吡咯和碳黑吸热升温会使液面形成张力梯度,推动LMs向前移动。因此,LMs在水中可被用作光驱动的“引擎”推动物体移动。如
图 21. 光响应液体弹珠“引擎”[72]。(a) 激光激励“引擎”推动塑料小船移动;(b) 日光激励双“引擎”塑料小船非线性移动
Fig. 21. Photo-responsive LMs "engine"[72]. (a) Motion of plastic boat with laser pumped “engine”; (b) Nonlinear movement of two-engine plastic boat pumped by sunlight
4.4 生物应用
光响应液滴操控因其远程、无接触在生物医学领域有广泛的应用[73-75]。Wu等人[38]展示了基于硅油浸注的光-热型液滴操控功能表面构建了可用于生物细胞的培养的操作平台。如
图 22. 光响应细胞培养芯片[38]
Fig. 22. Cell culture chip based on photo-responsive droplet manipulation functional surface[38]
Wang等人[76]基于光-电型功能表面(light-induced charged slippery surface, LICS)开发了封闭式的微流控生物芯片。LICS芯片由光-电层以及两片聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)载玻片构成,其中间填充有硅油层。如
图 23. 光响应封闭式微流控生物芯片[76]。(a) 芯片结构与操控示意;(b) 凝血酶培养监测实验;(c) 细胞原位刺激与检测实验
Fig. 23. Photo-responsive micro-fluidic biological chip[76]. (a) Construction and operation of fluidic chip; (b) Thrombin culture and monitor experiment; (c) Cell in situ stimulation and detection experiment
4.5 化学分析应用
Marques等人[62]通过光诱导表面马兰戈尼效应实现了有机液滴的运输以及不同化学试剂液滴的融合反应。如
图 24. 基于光响应的化学试剂液滴融合反应控制[62]
Fig. 24. Photo-responsive droplet fusion and reaction control of chemical reagents[62]
Jiao等人[45]利用石墨烯基的光-热响应石蜡浸注型液滴操控表面制备了可以自动进液型的化学反应芯片。如
图 25. 光响应自动进液化学反应芯片[45]。(a) 芯片实物;(b)~(h) 基于光响应的自动进液过程
Fig. 25. Photo-responsive automatic sampling chemical reaction chip[45]. (a) Photograph of the chip; (b)~(h) Automatic liquid feeding process based on optical response
Sun等人[81]使用氧化石墨烯混合N-异丙基丙烯酰胺水凝胶溶液,并分散入SiO2纳米颗粒,制备了具有水凝胶微球阵列的光响应液滴操控功能表面。氧化石墨烯具有优异的光热转换能力,其吸光发热后会使功能表面的亲水性水凝胶微球发生收缩暴露出疏水表面,从而实现功能表面的亲疏水性的转换,该表面可用于微反应器进行化学反应。如
图 26. 光响应功能表面在CdS纳米晶体合成方面的应用[81]。(a) 光操控液滴示意图;(b) 实验过程及CdS实验结果影像;(c) 多样品并行检测应用
Fig. 26. Photo-responsive functional surface for CdS nanocrystal chemical synthesis[81]. (a) Schematic diagram of droplet manipulation;(b) Physical diagram and transmission electron microscopy image of CdS nanocrystals; (c) Parallel detection of multi samples
4.6 水下气泡操控
Chen等人[82]则展示了基于光响应液滴操控功能表面的新用途—操控水下气泡。基于光-热响应的硅油浸注型液滴操控表面,通过远程NIR光刺激后,其表面将产生润湿梯度力从而驱动水下气泡在任意方向移动。利用润湿梯度力不仅可以在水下实现气泡单向传输,还具有按需操纵气泡至理想位置、加速气泡融合的动态控制等更多功能。如
图 27. 基于光响应液滴操控功能表面的水下气泡操控[82]
Fig. 27. Under-water bubble manipulation based on photo-responsive droplet manipulation functional surface[82]
Dai等人[83]基于氧化铟锡玻璃和非晶硅制备出一种光热功能表面,可以在水下操控气泡实现微型零件的组装。如
图 28. 光热功能表面操控水下气泡实现微结构组装[83]
Fig. 28. Microparts assembly by controllable bubbles based on photo-thermal functional surface[83]
Hu等人[84]利用NIR激光在高导热率蓝宝石玻璃操界面上实现了水下气泡的弹跳与操控。如
图 29. 基于导热界面的光引导水下气泡弹跳行为[84]
Fig. 29. Light navigated bubble bouncing within water based on thermally conductive surface[84]
随着光操控液滴方法的发展与材料的革新,光响应液滴操控功能表面实现了丰富的液滴操控功能,包括液滴的输运、融合、分割、抓取、释放等,因此在许多领域得到了应用与推广。基于光响应液滴操控的“液滴机器人”对于未来微型光电系统、柔性机器人、药物投递[85-91]有着重要的参考价值;光响应液滴操控功能表面与微流控芯片技术的深化融合将为在生物、化学分析领域开发智能化、高通量的细胞培养、药物筛选、化学合成、分子检测芯片等[92-96]提供思路;除此之外,能实现水下液滴、气泡操控的光响应功能表面,在微粒、微机械乃至细胞操控等方面[97-101]具有极大的应用价值。
5 总结与展望
光响应液滴操控功能表面以光作为激励场,通过光热、光电等效应实现了对液滴的丰富操控。相比于电激励型液滴操控表面复杂的电路设计与制备流程,绝大多数光响应型润湿功能表面仅通过掺杂吸光颗粒以及表面处理即可获得,极大的降低了制备、维护成本;相比磁响应表面,光响应型浸润功能表面主要利用光点进行指向,操作灵活且精度高,抗磁场干扰能力强。光响应液滴操控功能表面的开发与应用已成为智能润湿表面研究领域的重要课题。
目前,对于光响应液滴操控功能表面的研究主要集中体现在:发展新型操控原理、开发新型功能材料、提升功能表面性能、扩展液滴操控应用等方面。在过去的二十余年中,研究人员提出了多样的光操控液滴原理,通过光激励响应引发表面润湿梯度、相变、机械形变、介电泳力以及电浸润等效应所产生的力实现对液滴的操控;同时,开发了多样的光热、光电响应功能材料(如:液态金属颗粒掺杂的聚偏氟乙烯-三氟乙烯聚合物,Fe3O4掺杂的PDMS、SMP等)为液滴操控提供动力;通过优化功能表面的微观形貌、构建低阻力超疏表面、优化材料配方以及表面化学修饰等提高功能表面的耐久性、响应灵敏度、操控速度等;在应用方面,当前光响应液滴操控表面能够实现多种类型液滴的输运、融合、分裂、抓取、选择性释放等,在柔性机器人、化学及生物微流控芯片等方面展现出了巨大的应用潜力。在未来的研究中,继续探索新型液滴操控原理、发展新型光响应材料、降低激光光热损伤、实现液滴多模态群体以及相分离精准操控等仍是光操控液滴研究领域的重点问题;此外,深化光响应液滴操控表面在微观柔性机器人、精细化工合成控制、生物医学检测与分析等方面的应用,开发紧凑、高兼容、多功能的光响应液滴操控平台与系统也将是研究人员重点探究的问题。
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