液滴操縱在生物過程中無處不在，在能源、微流體、微反應器、生物分析和醫療設備等技術應用中也必不可少。受自然生物的啟發，研究人員已開發出許多功能性表面來操縱液滴。例如，通過配置可切換的表面潤濕性來實現響應性的疏水表面。然而，目前大多數的液滴操縱方式都是基于響應性的表面，被動地實現操縱。

很少有報道能實現液滴在水平方向甚至反重力方向的主動操縱。在這些工作中，液滴的操縱在很大程度上取決于響應性表面。然而，響應性表面的制備總是需要特定的響應性材料。同時，并非應用場景中的所有表面都具有響應性，因此無法實現液滴操縱。因此，這種被動操縱方式的應用受到嚴格限制。

目前，在傳統的非響應性光滑表面上對功能性液滴進行主動操縱仍然是一個巨大的挑戰。 鑒于此，北京航空航天大學江雷院士、衡利蘋研究員等提出了一種通用的主動操縱方法，實現了在光照射、電場和磁場下在無響應的光滑表面上對光熱液滴、電液滴和磁液滴的主動操縱。該工作還展示了在外部刺激下對不同液滴的聚結、微反應、反重力操縱和篩選。

該項工作可以為不依賴于表面響應性的主動操縱液滴提供一種可行的策略，并推動化學檢測、微流體、生物分析和藥物的發展。該研究以題為“Active Manipulation of Functional Droplets on Slippery Surface”的論文發表在最新一期Advanced Functional Materials期刊上。




光滑表面的制備過程

為了方便地操縱功能性液滴，研究人員構建了一個穩定的光滑凝膠表面。如圖1a所示，研究人員用旋涂的方式在玻璃基板上制備了PDMS基底。接著，在PDMS表面涂抹硅油后，獲得了光滑的PDMS表面。該方法制備的PDMS表面在浸泡硅油后幾乎看不到明顯的褶皺（圖 1g），保證了其光滑性，這為在光滑表面上自由操縱功能性液滴提供了基礎。



圖1PDMS基底的制造過程以及制備的硅油/PDMS光滑表面。

通過光照、電場主動操縱液滴

研究人員將光熱性能良好的碳納米管加入液滴中，制備了光熱響應型液滴。為了實現對光滑表面上光熱液滴的有效操縱，需要不對稱的光照射。使用氙弧燈作為光源，如圖2b所示，光強度從中心向邊緣逐漸減小。在操縱光熱液滴時，光斑中心準確地聚焦在液滴的左邊。如圖2c-f所示，在光照射幾秒鐘后，光熱液滴開始在光滑的表面上移動。

在非對稱光源的照射下，液滴會不斷移動，直到整個液滴在暗區移動，最后停止。通過光照實現主動操縱的原理是利用了在不對稱光斑下，液滴兩側的溫度不同。當光斑中心作用于液滴的左側時，左側的溫度會高于右側的溫度，溫度差異（ΔT）會引起液滴內的Marangoni流動，并隨后形成驅動液滴的驅動力。



圖2 通過光操縱液滴 為了展示液滴的電驅動，研究人員選用四種液滴包括水、二甲基亞砜（DMSO）、十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）溶液和1-乙基-3-甲基咪唑雙（三氟甲基磺酰）亞胺（離子液體，[EMIm]NTf?) 作為模型電滴。首先，研究人員用尼龍濾膜摩擦PDMS基板，來使光滑表面帶電（圖3a）。

帶電的 PDMS基板表現出很強的負電位（圖3b）。如圖3d-g所示，隨著金屬電極的靠近，當距離減小到一定值時，液滴會被驅動。隨著液滴的向前移動，距離的逐漸增加，靜電相互作用會逐漸減少，減慢液滴的移動速度。一旦移動距離達到某個值，驅動力將變得小于流體動力阻力。最終，電滴會迅速停在光滑的表面上。實驗結果表明，液滴的移動距離符合以下順序：DMSO>DTAB>水> [EMIm]NTf?（圖3h）。



圖3 通過電場操縱功能性液滴在光滑表面上運動



圖4 通過電場操縱液滴在溶液表面運動

通過磁場主動操縱液滴

最后，研究人員展示了通過磁場對液滴進行主動操縱。將磁性Fe?O?納米粒子添加到水中以制備磁性液滴。實驗結果表明Fe?O?含量對液體表面張力沒有明顯影響。基于磁吸引力，磁滴可以通過磁鐵驅動。

通過調整液滴與安放在液滴右下方的磁鐵之間的距離來測量磁液滴的最大移動距離。實驗結果表明，含有少量Fe?O?的液滴滑動緩慢，含有大量Fe?O?的液滴能夠快速移動。

通過磁場對液滴進行簡單的磁操縱是由于液滴和磁體之間的磁力。如圖5i?所示，在沒有磁鐵的情況下，液滴內的Fe?O?納米顆粒的磁疇是無序的。在這種狀態下，沒有磁力產生，液滴表現出較大的接觸角。當施加對稱的磁場時，液滴內的Fe?O?納米顆粒的磁疇沿磁感應線有序排列（圖 5i?）。以這種方式，產生了液滴和磁體之間的磁力。


基于這種原理，研究人員通過0.4T磁場對不同磁性液滴進行聚結、反重力操縱和篩選操作（圖6）。



圖5 通過磁場操縱液滴在光滑表面上運動



圖6 通過磁場操縱液滴進行水平滑動、反重力運動、聚結和篩選 綜上所述，該工作成功實現了在光照射、電場和磁場下在無響應的光滑表面上對光熱液滴、電液滴和磁液滴的主動操縱。與之前報道的操縱模式相比，該工作引入了一種通用的主動操縱方法并規避了對表面響應性的需求。

該方法能夠在外部刺激的觸發下，成功完成光滑表面上不同液滴的聚結、反重力操縱、微反應和篩選。這一成果將為獨立于表面響應性的液滴的主動操縱以及化學檢測、微流體、生物分析和藥物中的相關技術應用提供新的見解。

審核編輯：劉清