中大团队开发新型磁驱动液滴操控技术，可多维精准运输液滴

液滴运输技术被视为生物医学、化学合成与材料科学等多个领域的关键技术之一。

利用该技术，研究人员能够实现药物成分的精确控制、材料的高精度加工和复杂结构的构建等，因而该研究方向在学术界备受瞩目。近年来，该领域已取得显著进展，但仍面临诸多挑战。

目前，液滴运输的技术路线主要分为两种：一种是依赖化学或结构特性的各向异性表面梯度驱动的被动策略；另一种则是利用外部刺激，例如机械振动、磁场、电场、热等方式的主动策略。

其中，电润湿（Electrowetting on Dielectric，EWOD）策略是当前应用最为广泛的主动策略之一。

相比而言，被动策略存在功能单一、运输速度慢和运输距离短等缺点，而以 EWOD 为代表的主动策略不仅稳定性较差，且必须在电场中进行运输，这可能对液滴造成不良影响。

此外，现有技术在三维空间内精确操控液滴的能力较为有限，因此，采用简便、安全和低成本的驱动装置完成液滴的表面外三维传输仍具挑战性。

为了解决这些问题，由中山大学与大连理工大学团队合作，开发了一种新型磁驱动液滴操控技术。

图丨黄世琳（来源：中山大学）

此项研究的核心在于其独特的方法，即利用磁力在超疏水槽形表面（Superhydrophobic Grooved Surfaces，SHGS）上实现液滴的跳跃。

通常，液滴的外表面输送依赖于超疏水表面，以减小液滴的表面附着力。

当液滴在超疏水凹槽内生长并演变成球状时，其上表面与下表面相比具有更大的曲率半径，从而产生拉普拉斯压差，该压差驱动液滴跳跃。这种将表面能转化为动能的跳跃机制，正是液滴表面外输送的关键。

关键问题是：如何在液滴体积不变的前提下，根据需求触发液滴在超疏水表面上的跳跃行为？课题组成员给出的答案就是磁力。

通过在液滴中引入磁性颗粒，并利用电磁场施加力，液滴会发生变形并增加过剩表面能，当电磁场迅速移除时，其过剩表面能便会部分转化为液滴跳跃的动能。

（来源：ACS Nano）

这一过程无需任何直接接触或复杂的机械装置，极大地扩展了液滴操控的可能性。

近日，相关论文在 ACS Nano 上以《液滴在超疏水沟槽表面上的磁驱动跳跃：三维液滴运输的通用策略》（Magnetic-Actuated Jumping of Droplets on Superhydrophobic Grooved Surfaces: A Versatile Strategy for Three-Dimensional Droplet Transportatio）为题发表[1]。

中山大学 Yusheng Huang 为第一作者，黄世琳副教授担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：ACS Nano）

该研究表明，影响液滴跳跃性能的关键因素首先是液滴体积。

通过连续改变液滴体积，该课题组发现，当液滴体积减小时，凹槽外液滴的上半部分变小，而凹槽内的下半部分变粗，进而使液滴内部的拉普拉斯压力随之增大。

不过值得注意的是，对于特定的 SHGS，由于体积较大的液滴只有一小部分会在凹槽中变形，因此过剩表面能的增加会随体积增大而放缓，由于质量的增加，其理论跳跃高度便逐渐降低。

所以，当液滴体积较小时，理论跳跃高度呈上升趋势；当液滴体积超过临界值时，跳跃高度随体积的增加而降低。

其次则是 SHGS 的沟槽深度。经观察发现，在小深度（≤0.9 毫米）时，跳跃机制的范围相对较宽，适用于大体积液滴运输。

相反，如果 SHGS 用于长距离输送液滴，则更适合设计深槽（0.9-1.3 毫米）。

但需要避免沟槽过深的 SHGS，因为这会使所有液滴都不可避免地因夹断或包埋效应而失效。深度过小（≤0.5 毫米）的 SHGS 也可能因跳跃高度较小而不适用。

最后，沟槽宽度也是影响液滴传输性能的关键因素。

一方面，随着沟槽宽度的增加，夹断和包埋的临界体积与深度上升，而跳跃机制的范围也变得更宽。

另一方面，液滴的理论跳跃高度也随着沟槽宽度的增加而降低，这是因为液滴变形的减少，导致在较宽沟槽上的跳跃所需的过剩表面能降低。

只有在沟槽宽度适中的情况下，才能完成最佳的磁驱动跳跃行为，太小或太大的宽度都会导致不理想的夹断或包埋效应。

（来源：ACS Nano）

除了跳跃性能的改变之外，通过调整装置，这种机制还能完成多种其他的液滴运输模式，包括通过倒角凹槽边缘控制跳跃方向，实现表面上运输或各种定向运输模式；或是借助额外的磁场控制，实现更复杂的三维传输，例如爬楼梯和跨越障碍。

该团队指出，得益于这项技术具备精确、远程和多维传输液滴的能力，可以将它用于传统移液器方法无法应用的狭窄空间的液滴传输，也能借此设计对磁场有响应的液滴开关，或远程控制封闭腔室内的微反应。

因此，在生物分析、微流体、液滴开关和微反应等众多领域中，这项技术都具有相当的应用潜力。

参考资料：

1.Huang, Y. et al. Magnetic-Actuated Jumping of Droplets on Superhydrophobic Grooved Surfaces: A Versatile Strategy for Three-Dimensional Droplet Transportation.ACS Nano (2024). https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11197

支持：邹名之

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