Le DEST peut déplacer des gouttelettes d'un volume allant de dizaines de nanolitres à plusieurs millilitres et déplacer des gouttelettes dans un réseau. Crédit :Jin Yuankai et al
La manipulation des gouttelettes a des applications importantes dans des domaines tels que la gestion de la chaleur, la collecte de l'eau et les réactions chimiques. Une équipe de recherche de la City University of Hong Kong (CityU) a développé une pince à gouttelettes électrostatique multifonctionnelle qui peut « piéger » avec précision les gouttelettes de liquide et guider à distance leur mouvement sur des surfaces planes et inclinées, et dans des milieux pétroliers. Des expériences ont montré que la pince à épiler peut manipuler des gouttelettes de différents volumes et avec différents composants. Il a des applications potentielles dans des domaines tels que l'analyse biologique et chimique à haut débit.
L'équipe de recherche est dirigée par le professeur Wang Zuankai, professeur titulaire du département de génie mécanique (MNE) de CityU. Leurs conclusions ont été publiées dans la revue académique Proceedings of the National Academy of Sciences , sous le titre "Pince électrostatique pour manipulation de gouttelettes."
Les approches actuelles de manipulation des gouttelettes tirent principalement parti du gradient de force de surface construit sur les substrats ou appliquent directement une force externe aux gouttelettes. Ces méthodes exigent toujours que les substrats ou les gouttelettes soient sensibles aux forces externes. En raison de la nature déformable des gouttelettes, les méthodes existantes de manipulation des liquides sont confrontées à de nombreux défis technologiques, tels que la courte distance, la faible vitesse, les conditions de fonctionnement restreintes et la nécessité d'ajouter des additifs réactifs aux gouttelettes.
Manipulation de gouttelettes à l'aide d'électricité statique
Pour surmonter ces contraintes technologiques, le professeur Wang et son équipe ont développé avec succès une pince électrostatique multifonctionnelle à gouttelettes qui utilise l'induction électrostatique pour "attirer" et manipuler à distance des gouttelettes liquides de différentes quantités, types et volumes jusqu'à une distance de quelques centimètres. En bref, la pince à épiler peut déplacer les gouttelettes sans les toucher directement.
Le DEST peut déplacer divers types de gouttelettes sur des substrats électriquement conducteurs. Crédit :Jin Yuankai et al/ DOI :10.1073/pnas.2105459119
Inspirée par l'induction électrostatique de matériaux solides, l'équipe de recherche a appliqué l'induction électrostatique dans un liquide pour réaliser la manipulation de gouttelettes. L'induction électrostatique fait référence à la redistribution des charges électriques dans un conducteur, provoquée par l'influence de charges électriques externes. Finalement, l'équipe a développé avec succès la technologie de pincettes électrostatiques à gouttelettes (DEST), éliminant le besoin d'additifs et réalisant une manipulation programmable des gouttelettes sans entrer directement en contact avec les gouttelettes.
Le système DEST se compose de deux parties :une pince à épiler avec une tension externe appliquée sur la pointe de l'électrode et un substrat qui est électriquement mis à la terre. Des gouttelettes sont déposées sur le substrat, et lorsque la pince électrostatique est connectée à l'alimentation, les charges électriques des gouttelettes et du substrat sont redistribuées en raison de l'induction électrostatique. Cela permet à la pince électrostatique de "piéger" précisément les gouttelettes et de les guider vers les électrodes à la pointe avec une tension appropriée.
"Le DEST est programmable", a déclaré le professeur Wang. "Nos expériences ont montré que le DEST peut guider le mouvement des gouttelettes de liquide dans des espaces ouverts, des canaux fermés et même du pétrole. Le DEST nous permet également de manœuvrer des gouttelettes de dizaines de nanolitres à plusieurs millilitres, et différentes quantités", a déclaré le professeur Wang.
Différents modes de manipulation de DEST
La recherche a révélé que DEST peut atteindre différents modes. Par exemple en mode guidage, la goutte suit le mouvement de la pince avec l'électrode sur sa pointe. En mode piégeage, la gouttelette se déplace vers la pince fixe avec l'électrode "allumée". Changer l'état "marche" ou "arrêt" de l'électrode de la pince à épiler permet à la gouttelette de se déplacer ou de rester à la position souhaitée de la pince à épiler. Lorsque l'électrode d'une pince à épiler est "éteinte" mais que l'électrode voisine est "allumée", la gouttelette se déplace vers la pince "allumée", réalisant un mouvement directionnel (vidéo 2).
Dans le mode de piégeage continu du DEST, puisque toutes les électrodes de la pince à épiler sont « allumées », la gouttelette se déplace en continu vers la pince à épiler « allumée » suivante (vidéo 3).
Comparé à d'autres technologies de manipulation de gouttelettes, le DEST permet une manipulation précise et programmable des gouttelettes avec une vitesse élevée, une distance illimitée et une direction agile. La technologie offre une plate-forme potentielle pour l'utilisation de la manipulation des gouttelettes pour les réactions chimiques, telles que les réactions de précipitation et les réactions colorées. DEST peut également être appliqué pour transporter de petits objets solides et pour effectuer un nettoyage de surface sélectif et une détection par spectroscopie Raman améliorée de surface à haut débit.
"Nous avons également préparé un substrat superhydrophobe fonctionnalisé avec des nanoparticules d'argent, de sorte que lorsque les gouttelettes manipulées se déplacent sur ce substrat, elles portent les nanoparticules d'argent. Cela a amélioré la sensibilité de la mesure Raman en raison des propriétés plasmoniques des nanoparticules d'argent dans les gouttelettes. Lorsqu'une gouttelette est mesurée et retirée par la pince électrostatique, les gouttelettes suivantes peuvent être déplacées vers la position du laser pour une autre mesure, et les résultats de mesure n'interfèrent pas les uns avec les autres.Un autre avantage du DEST dans l'assistance à la mesure Raman est qu'il élimine le besoin d'un laser précis se concentrant sur la gouttelette, ce qui raccourcit considérablement le temps de mesure et permet une détection à haut débit des informations sur les gouttelettes », a expliqué le Dr Jin Yuankai, postdoctorant au MNE et premier auteur de l'article.
« Notre technologie a augmenté la contrôlabilité et élargi les scénarios d'application de la manipulation des gouttelettes, et a simplifié le processus d'application. De plus, les substrats utilisés dans notre système DEST peuvent être fonctionnalisés, améliorant leurs performances pour l'analyse chimique et biologique », a conclu le professeur Wang sur leur résultats de recherche. Un scientifique invente une nouvelle méthode de manipulation de gouttelettes "WRAP"
