北航陈华伟教授团队AFM：光热-电激发液滴多种形式操控

针对上述问题，北京航空航天大学机械工程及自动化学院陈华伟教授团队以“Photothermal-Electric Excited Droplet Multibehavioral Manipulation”为题于《Advanced Functional Materials》发表论文，提出了基于光热-电激发形式的光操控平台，实现了微液滴的无损运输、振荡、分裂等多种形式的操控。

该研究基于铌酸锂（LN）热释电晶体的不同构型，并结合光热薄膜和疏水涂层分别制备了具有超双疏特性（LMSS）和超滑特性（LMIS）的光响应操控平台。当一束近红外光（808 nm）照射，光热薄膜快速升高温度，根据LN的热释电响应在辐照区域上产生的相反符号的电荷并反向聚集，形成的类似偶极子的电荷分布方式表现出更明显的电场梯度变化，从而使热辐射区域产生更强的介电泳（DEP）力。因此，该光操控平台可实现200 nL~1000 μL范围内水滴的快速运输，最大迁移速度达到16 mm/s，而且表面张力在23.2~85.4 mN m^-1的液滴都可实现无损运输。通过这种具有平行构型的新型光热-电平台，可以实现集吸引、排斥、定位、分裂、混合等多种功能于一体的无损耗液滴操控，在众多光致平台中具有独特的应用优势，如图1所示。

图1 基于光热-电激发的光操控平台的液滴多功能操控概念图

基于LMMS表面偶极子状电荷的分布，在光斑区形成了DEP力方向改变的三个过渡点，即锚点。所以，随着光斑移动，工作平台上的液滴通过吸引或推动两种运动形式沿着光斑路径运动，从而形成了稳态模式和亚稳态荡运动模式，如图2所示。当液滴以稳态模式运动时，液滴可以被实时稳定操控，最大误差小于150 μm。而亚稳态运动模式使液滴在锚点附近反复振荡，形成约光斑半径大小的运动误差。但是通过可编程的激光往复运动，液滴可以实现指定频率和幅度的振荡。这种规则的振荡结合电场的剪切应力作用可以加速液滴的快速混合并可以防止液滴内部颗粒的沉降。

图2 LMSS表面液滴稳态及亚稳态振荡两种运动模型

另外，由于表面张力的存在，液滴可以维持自身的完整性和粘性，使其不易于分裂。但是，在该光操控平台，由于锚点处DEP力方向的转变，可以在液滴上形成强大的相反作用力，足以克服液滴表面张力而发生分裂。相对于LMSS表面的液滴分裂效果，液滴在LMIS表面具有较小的接触角及阻力，可以实现更大直径液滴的分裂，而且可实现表面张力范围为25.7~85.4 mN m^-1液滴的精确分裂。基于LMIS表面的液滴与光斑接触方式，微液滴的分裂可以按照同心分裂（图3 i）和偏心分裂（图3 ii）两种形式进行，并且根据液滴分裂模型及理论分析可以预测分裂后的两个子液滴直径比，理论误差小于15%。根据DEP力与界面张力之间的平衡关系，建立了最大劈裂直径与偶极矩的0.4阶标度定律关系，证实了DEP力劈裂液滴的工作原理。

图3 LMIS表面液滴同心及偏心两种分裂模型

最后，验证了该光操控平台在反重力运输、抗沉淀、自清洁、固体货物运输和连续微化学反应等一系列实际场景中的应用，展现了优异的稳定性和高灵活性，特别是在长距离运输中仍能保持液滴内部物质的生物活性，这在生物医学领域具有重要意义，如图4所示。