纳米能源所李宁、陈翔宇/理化所董智超AM：用于微液滴高精度操控的仿生静电系统

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-15 08:04

正文

微液滴的精准生成与操控在打印技术、微流控生物芯片、药物递送及柔性传感器等领域具有重要意义。然而，现有的微纳尺度液滴生成与反应技术仍面临诸多挑战，如液滴尺寸控制精度不足、液体传输效率低以及多功能操控能力受限等。为此，中国科学院北京纳米能源与系统研究所李宁副研究员、陈翔宇研究员与理化技术研究所董智超研究员合作，提出了一种全新的基于静电捕获与释放的液滴操控系统（Electrostatic Wetting-Based Emission and Transportation，EWET）。该系统成功实现了对微纳尺度液滴的精准捕获、释放与高效传输。相关研究成果以题为“Bioinspired Electrostatic Capture-and-Release System for Precise Microdroplet Manipulation”于1月13日发表在《Advanced Materials》，标志着微液滴操控技术的又一重要突破。

微/纳米尺度液滴的操控在打印、微流控、化学合成、液体分离以及传感等领域具有关键作用。其中，静电力凭借其高时空精度与高度可编程性，成为液滴生成与驱动最有效的方法之一。静电力或介电泳力不仅可实现二维表面的无缝液滴传输，还能支持三维空间的液滴操控。尽管近期研究主要集中于液滴传输速度的突破，但在开发创新机制以实现液滴驱动新模式及其应用方面仍需更多关注。受自然界液体喷射现象（如昆虫表面张力驱动的液滴喷射及真菌孢子喷射）的启发，研究团队开发了一种基于静电驱动的EWET系统。该系统结合静电力与表面张力调控，能够在开放平面上精准发射并传输子液滴。EWET通过与摩擦纳米发电机（TENG）集成形成了液滴反应系统。TENG作为高压电源，简化了设计，不需要复杂的电路系统。EWET系统提供了一种全新的微滴生成与操控策略，通过突破传统方法的技术限制，在微流控技术、材料制造和化学反应领域提供了一种创新解决方案。

图1. EWET系统的灵感来源和设计方案概述

本工作灵感来源于自然界生物体的液体喷射策略。在一些小型生物体中，表面张力主导力的变化会导致液滴喷射行为从滴落到射流的转变，其主要受行为特性和不同尺度下主导物理力的控制。受微生物液体喷射机制的启发，该工作探讨了从单个微观液滴中喷射纳米级液滴的过程。该系统使用带静电力的表面作为锚点，将微观母液滴作为投射体，并通过静电场驱动其喷射和子液滴的传输。借鉴椿象科昆虫的灵感，通过利用静止液滴的表面张力特性，实现了单个液滴的高速喷射。此外，受真菌孢子爆炸射流机制的启发，利用静电力在表面张力主导的物理系统中实现了超推进和高效液滴喷射。EWET 系统采用分层结构设计，包括静电改性的聚合物表面、电极阵列和支撑基底，能够在油相中实现液滴的捕获与操控。EWET通过与摩擦纳米发电机（TENG）作为高压电源集成形成了液滴反应系统。微液滴通过介电固定捕获，并在静电场作用下形成液桥和锥形喷射结构，实现了液滴的方向性高速排放，同时保证了其稳定性和重复性。该系统还成功实现了液滴化学反应，例如通过液滴颜色混合完成的精准配色操作，展现了其作为可编程微流控工具的潜力。

图2. 基于仿生静电捕获和释放系统（EWET）的液滴动力学过程

本研究提出了一种新颖的微/纳米尺度液滴生成与操控现象，该现象在油中的开放表面上实现，与传统的电学方法截然不同。EWET无需复杂的电力系统或电路控制，通过电源的开关即可实现单一分散的液滴发射以及可调的周期性微液滴发射与运输。本研究中的电润湿现象被描述为“静电润湿”，其涉及液滴在静电图案化表面上的钉扎。在电极之间的静电场作用下，通过静电力形成泰勒锥（Taylor cone），从而促进微液滴的发射与运输。操控力的建模基于油相环境中水滴接触线的特性。EWET的发射依赖于静电润湿引发的粘滞力、液滴的表面张力及静电驱动力的协同作用。在垂直方向上，静电润湿增强了液滴与基板之间的粘滞相互作用；而在水平方向上，静电场则通过与表面张力的抗衡精确控制泰勒锥的形成与液滴发射过程。该系统利用介电固定和静电场实现对微液滴生成、移动和周期性释放的精确控制，其精度达到纳升级。这一系统能够在开放液相环境中进行无污染的微液滴操控，与传统方法相比，无需复杂的电路系统或特殊环境支持。

图3. EWET系统对液滴操控不同阶段的操控机制。

EWET系统的液滴操控机制基于静电力、流体力学及表面张力之间的周期性相互作用。液滴发射的关键阶段包括母液滴变形、泰勒锥的形成、微液滴的发射与传输，以及液滴形态的恢复。油相中的母液滴由于静电图案的影响而吸附在PTFE涂层基底上，并处于由两个电极形成的静电场中。在静电力的作用下，液滴发生变形，从半球形逐渐过渡到锥形。锥形液滴尖端的方向与电场的高电势区域对齐。当表面张力与静电压力之间的平衡被打破时，子液滴被释放并沿着电场方向运输。当电压关闭后，表面张力和静电吸附恢复液滴的原始形态。从静电润湿到准介电泳和泰勒锥模式的转变过程是由流体动力学响应与静电力之间的相互作用决定。

图4. EWET系统对液滴操控的影响因素。

这一过程在不同种类液体，有机、无机和生物样品中表现出一致性。这种单分散性可周期操作的方式在以往报道的中从未实现。基于EWET系统可以实现在油相环境中周期性、可调和定向发射纳升（nL）甚至皮升（pL）级别的液滴，速度高达0.275 m/s。并且这些参数是可以通过系统参数、电压和油相环境参数调节的。EWET在非空气环境中运行，为处理危险或敏感材料提供了一种环保、无污染的可持续解决方案。

图5. 基于EWET的多模式与多角度液滴操控

基于EWET（静电湿润发射与传输技术）的液滴操控展示了卓越的多功能性，可在三维空间中实现多模式和多角度的精准液滴发射与运输。在垂直、悬挂和曲面等复杂基底上，EWET通过电场诱导液滴变形成泰勒锥，成功发射并引导液滴沿电场线运动，甚至克服重力实现逆向运输。其液滴最小体积为15.78 nL，速度最高达166.9 mm/s，表现出极高的精确性和适应性。EWET兼具“静电投射器”和“静电捕获器”的功能，在液滴单分散、循环控制以及多维度液滴操控方面优于传统方法，扩展了可操作液体的范围，适用于微流控、生物工程、材料制备等多领域应用，为液滴处理提供了先进解决方案。

图6. 微米尺度液滴在三维时空中的传输

EWET技术展现了在三维时空框架内实现微米尺度液滴精准传输的能力。在油相环境中，EWET利用静电抓取器完成液滴的周期性拾取、发射与高效运输操作。抓取器通过静电吸引力在500毫秒内捕获一个5 μL液滴，并通过施加电压使液滴变形成泰勒锥，发射出子液滴，随后再由收集端捕获。液滴可在电压循环下完成重复操作，展现出操作的规律性与功能稳定性。结合TENG作为高效的驱动方式，EWET在复杂环境中表现出高效的液滴拾取和传输能力，为集成至便携式设备及应用于数字微流控、药物递送、材料制造和环境监测等多个领域提供了创新解决方案和广阔前景。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202418711

来源：高分子科学前沿

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