中科院北京纳米能源所王中林院士、程廷海研究员团队：基于摩擦纳米发电机构建便携式微液滴分裂和混合系统

数字微流控技术能够在平面上实现液滴的移动、分裂、融合等多种操作，在学术研究和工程应用中发挥着重要作用。但是，传统电压源对电力的依赖限制了其在野外环境及恶劣场所的应用，且会产生过多的焦耳热，对液滴运行产生不利影响。因此，需要一种便携式供电设备支撑数字微流控拓展其应用范围。

针对上述挑战，本文提出了一种基于摩擦纳米发电机(TENG)的自供电微液滴操作(SMDM)系统，它具有分裂和混合不同种类液滴的能力。基于电渗流原理，SMDM能够在2 μL至 630 μL范围内实现液滴分裂。其中，对于5 μL至60 μL范围内的液滴分裂，TENG只需要2.704 mW至6.084 mW的功率输出。此外，SMDM可在60 s内完全混合10 μL液滴，仅需53 s便可实现30 μL液滴的完全混合。与传统电压源相比，它具有自供电、低焦耳热、更高的安全性和更好的便携性等优势。这项研究为数字微流体的便携式应用提供了一种新的解决方案。

图1.SMDM的概念。(a)微液滴操作的概念图。(b)SMDM执行结构示意图。(c)TENG结构图。(d)电刷结构图。(e)不同材料的前进接触角和后退接触角。

图2.SMDM工作原理示意图。(a)TENG工作原理图。(b)液滴分裂示意图。(c)电刷工作原理图。(d)交流电渗。(e)交流电渗分裂机理示意图。(f)交流电渗混合机理图。

图3.TENG的输出性能测试。(a)TENG的基本输出。(b)电刷的基本输出。(c)TENG的功率测量接线(i)和充电容接线(ii)。(d)功率曲线。(e)充电容曲线。

图4.基于SMDM的液滴分裂。(a)液滴分裂受力示意图。(b)分裂液滴的最小和最大体积与电极间距和电极宽度的关系。(c)不同类型液滴的最小和最大体积随电极间距的变化规律。(d)不同液滴分裂所需的开路电压变化系数。(e)TENG分离不同体积液滴的输出功率。

图5.基于SMDM液滴混合的性能研究。(a)电场力作用下的液滴混合过程。(b)液滴内部速度场的变化过程。(c)混合时间与中心角的关系。(d)混合时间与电极数量的相互关系。(e)混合时间与液滴体积之间的关系。(f)混合时间、浓度和液滴类型之间的关系。

图6.自供电微液滴操控系统的应用示意图。(a)基于TENG的微液滴控制装置(i)前视图，(ii)俯视图。(b)操纵液滴分裂。(c)操纵液滴混合。(d)自供能微液滴操控系统的应用前景。

程廷海，研究员、博士生导师，现为中国科学院北京纳米能源与系统研究所智能结构与系统实验室负责人。主要开展微纳能源收集与利用、自驱动传感与系统和精密压电驱动与控制方面的研究，提出了系列机械模式摩擦纳米发电机的设计思想，研制开发出多种原理与类型的摩擦电式机械运动传感器，取得了一些国内外较有代表性的研究成果，积极推进摩擦纳米发电机在工业领域特别是机械行业的应用与发展。在Nature Reviews Methods Primers、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、MaterialsToday等国际杂志上发表较高水平学术论文150余篇，主持科研项目20余项。

Gao Q, Xiang Q, Liu W, et al. Microdroplet splitting and mixing by portable triboelectric nanogenerator. Nano Research, 2025, 18(2): 94907128. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907128. 

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