對于生物化學分析、藥物檢測分析等領域而言，非接觸的可控液滴輸運至關重要。液滴定向輸運技術，通常依賴表面梯度驅動或外部刺激等方式實現。其中，基于電場的微流控技術由于具有運輸速度快、響應時間短的優點而備受學界關注。然而，目前大多數液滴控制技術只能支持液滴在二維表面的面內傳輸，無法實現具有高可控性和高靈活性的面外輸運。其主要原因在于大多數技術通過對液滴施加牽引力來驅動液滴，對基底的支撐有很強的依賴性。

對于現有的液滴面外輸運技術，大多依靠強大的排斥力發射液滴。但是，受制于技術的局限性，無法實現全向輸運和液滴的連續彈跳。光具有極強的調控性，利用光作為激勵源能夠極大地提升液滴操控技術的靈活性，從而實現液滴的各種復雜輸運。

基于此，河北工業大學研究團隊將摻鐵鈮酸鋰晶體襯底與超疏水表面相結合，借此設計了一種液滴三維路由器。利用光伏效應與摩擦電效應所激發的吸引靜電力或排斥靜電力，課題組提出了多種液滴輸運模式。并引入激光打標系統，實現了例如偏轉方向/定點捕獲、多液滴并聯/單液滴級聯、二維平面/三維自由空間等多種可編程性輸運模式。

對于相關論文，審稿人表示：“作者展示了一種巧妙且有效的方法，通過結合摩擦電效應和可編程光響應材料來操控帶電液滴。”通過光電效應施加排斥力去實現液滴的面外彈跳，效果非常顯著。

詳細來說，三維液滴路由器可以實現液滴多維全向輸運，利用激光打標系統構建多個光照響應區，能夠在自由空間內編程單一或多個液滴的運動軌跡，構建液滴輸運的虛擬“立交橋”。借此幫助液滴跨越障礙物并引導至目的地，可以大幅提升操控效率。通過調制光束精準遙控各種溶液的微液滴，能夠實現無接觸的生化分析，避免與有毒有害流體直接接觸，降低分析人員受到毒害風險的概率。此外，在封閉腔室內遙控液滴，可以減少目標液滴在操控過程中受到污染的幾率。

總的來說，三維液滴路由器具有全向且無損的輸運液滴的能力。這不僅在醫療檢測和生化分析等領域具有重要意義，而且在軟體機器人、防冰凍以及微流控加工制造等領域具有廣闊應用場景。

日前，相關論文以“3D Multimodal, omnidirectional router of aqueous microdroplets based on the synergy of photovoltaic and triboelectric effects”為題發在Nano Energy期刊上。米宇航是第一作者，河北工業大學閻文博教授擔任通訊作者。

目前，課題組正在思考如何調制光伏電場實現微液滴在自由空間內的穩定懸浮輸運，控制液滴的高度和運動速度，讓其如同“FlappyBird”一般精準控制液滴穿越障礙物。同時，該團隊計劃引入實時反饋系統，對液滴運動軌跡進行實時監測，及時調整激光掃描方案，實現微液滴的受控飛行和精準制導。此外，后續其還將研究如何調節輻照方式實現液滴不同比例和不同子液滴數量的精準分離，助力于微量生化分析技術的發展。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109509



審核編輯：劉清