Conception de microfluidique photopyroélectrique. (A) Schéma de la plate-forme photopyroélectrique tricouche constituée de la surface superomniphobe (réseau de nanosphères de silice), cristal pyroélectrique (niobate de lithium), et un film photothermique (polymère dopé au graphène) où les gouttelettes sont contrôlées par une lumière proche infrarouge (NIR). (B) Schémas montrant le mécanisme de la microfluidique photopyroélectrique. Comme la lumière irradie, le film photothermique composé de nanoplaquettes de graphène produit de la chaleur en raison de l'effet photothermique. Par transfert de chaleur, la température à l'intérieur du cristal pyroélectrique augmente, incitant les charges libres de surface, qui met la goutte en mouvement par force diélectrophorétique. (C) Image en coupe transversale de la microscopie électronique à balayage (MEB) de la surface superomniphobe. L'encart est l'image d'une huile de silicone de 5 l résidant sur la surface avec un angle de contact de 151°. (D) Lorsque la température augmente, la polarisation spontanée du cristal pyroélectrique diminue, donnant lieu à des charges hors surface supplémentaires. (E) SEM en coupe et images de spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie du film composite graphène-polymère, montrant du graphène dispersé de manière homogène. (F) Images séquentielles montrant une manipulation continue d'une huile de silicone de 5 pi à l'aide d'un laser à 785 nm. Le laser est allumé à 0 s, sauf indication contraire. (G) Chronophotographies montrant une manipulation continue d'une gouttelette d'éthanol. (H) Chronophotographies montrant une manipulation continue d'une gouttelette de n-heptane. (I) Chronophotographies montrant une manipulation continue d'une goutte de glycérol. Crédit photo :Wei Li, L'Université de Hong Kong. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc1693
La manipulation précise de divers liquides est essentielle dans de nombreux domaines et contrairement aux objets solides, les fluides sont intrinsèquement divisibles. Les fluides sont également collants avec des fonctions appropriées pour une manipulation sans perte afin d'éviter les pertes et la contamination. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Wei Li et ses collègues du génie mécanique et de la recherche et de l'innovation en Chine ont présenté la microfluidique photopyroélectrique pour répondre à des exigences aussi diverses. La plate-forme fluidique a facilité le développement d'un champ de force diélectrophorétique ondulé unique à partir d'un seul faisceau de lumière pour effectuer remarquablement la manipulation souhaitée sans perte de gouttelettes et fonctionner comme une surface "magique" résistante au mouillage. La plate-forme liquide pourrait naviguer, fusible, pincer et fendre les fluides à la demande pour établir des transporteurs de fret avec des roues à gouttelettes et a le potentiel de multiplier par 4000 la concentration maximale de produits livrables tels que les protéines.
Méthodes existantes pour fusionner des fluides
La manipulation de surface des tampons et des solvants organiques est fondamentale pour de nombreuses applications biologiques et fonctions chimiques qui sont essentielles pour une variété de thermiques, applications optiques et médicales. Pour y parvenir, les scientifiques doivent concevoir une plate-forme pour permettre aux fluides adressables localement pour la navigation avec un faible taux de perte de se diviser et de fusionner dans un processus facilement contrôlé. La lumière peut surpasser les autres stimuli en raison de sa nature sans contact, haute précision, et une contrôlabilité des rayons mature par rapport à l'optique géométrique, par exemple, pour former des pincettes optiques qui piègent et délogent les micro-objets. Plusieurs approches ont donc exploré le potentiel de photo-manipuler des liquides en tirant parti de la conversion d'énergie de photoélectrique, photothermique, propriétés photochimiques et photomécaniques pour naviguer et fusionner avec précision les fluides. Néanmoins, ces techniques ne peuvent pas diviser et manipuler les fluides sans perte. Par conséquent, dans ce travail, Li et al. présenté une approche inédite.
Manipulation d'huile de silicone, n-hexadécane, n-décane, n-heptane, éthanol, et des gouttelettes d'alcool isopropylique. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc1693
La nouvelle approche
L'équipe a simplement empilé trois couches homogènes, comportant un film photothermique utilisant un polymère dopé au graphène, cristal pyroélectrique utilisant une plaquette de niobate de lithium, et une surface superomniphobe utilisant une nanosphère de silice. Les trois couches ont fonctionné de concert pour des applications sans perte de même, fluides à très faible tension de surface en présence d'un seul faisceau lumineux.
Ils ont composé le film photothermique avec un composite monocouche de graphène pour détecter les stimuli lumineux et détecter les réponses générées par une thermogenèse inégale. Le cristal pyroélectrique a converti la chaleur en charges électriques supplémentaires pour former un profil de force diélectrophorétique ondulé qui pourrait piéger, distribuer et diviser les fluides. Ils ont utilisé la technique pour exécuter quatre fonctions fondamentales, y compris le mouvement, fusionner, distribution et fractionnement de divers liquides sous bien contrôlé, conditions sans perte sans électrodes compliquées et circuits haute tension. L'approche aura un impact significatif dans les domaines multidisciplinaires.
Caractérisation de l'interfaçage fluide et détection de la lumière. (A) Image de gouttelettes d'eau, éthanol, acétone, dichlorométhane (DCM), huile de silicone (PDMS), n-heptane, diméthylformamide (DMF), et de l'acétate d'éthyle résidant au sommet de la surface superomniphobe translucide. (B) Image SEM montrant le réseau fractal de la surface superomniphobe. L'encart montre les structures inversées typiques. (C) Super-répulsif envers divers liquides. (D) La force adhésive est inversement proportionnelle à la tension superficielle. Les barres d'erreur indiquent SD de trois mesures indépendantes. (E) Résidu liquide détecté sur diverses surfaces omniphobes par imagerie par fluorescence. (F) Intensité de fluorescence et fraction de surface des images en (E), montrant la perte de liquide remarquablement réduite sur la surface superomniphobe (SOP). Les barres d'erreur indiquent SD de trois mesures indépendantes. (G) Images séquentielles montrant une gouttelette de n-heptane (r0 1 mm, We ≈ 20) rebondit à la surface, présentant une faible adhérence vis-à-vis des liquides organiques. L'intervalle de temps entre chaque instantané est d'environ 4 ms. (H) Imagerie thermique infrarouge et tracé montrant la distribution de la température sur un film photothermique lors d'une irradiation laser de 400 mW. (I) Thermal response of graphene-PDMS composite films with varying contents of graphene nanoplatelets to 400-mW laser irradiation. Blue and red shaded regions denote off and on states, respectivement, of the 785-nm laser. (J) Thermal response of PDMS film containing 5 wt % graphene nanoplatelets to laser power. The solid lines are from theoretical analysis. Photo credit:Wei Li, The University of Hong Kong. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc1693
Designing photopyroelectric microfluidics
Li and team used the three layers of closely sandwiched materials (the pyroelectric crystal, superomniphobic thin film and photothermal thin film) to form the platform. The top superomniphobic layer contained nanoscale fractal networks made by sintering hollow silica spheres covered with fluorinated surfactants to achieve super-repellence. In the bottom layer, they formed a uniform composite film by homogenizing graphene nanoplatelets with polydimethylsiloxane (PDMS) and cured the polymer. When a beam of near-infrared (NIR) light irradiated the surface, the translucent superomniphobic surface and pyroelectric wafer became a transparent window allowing the NIR to readily reach the underlying composite polymer film. This led to a partially uneven, localized temperature rise, giving form to extra surface free charges, allowing droplets on the superomniphobic surface to be driven forward to the irradiated spot via a dielectric force. The scientists applied the technique to a variety of liquids including organic solvents such as silicone oil, alkanes and alcohols. The platform provided a channel-free, open-space fluidic processor without the hassle of electrodes or micropatterning required for currently existing microfluidic counterparts.
Droplet climbs vertical wall. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc1693
Loss-free fluid interfacing, light sensitive sensing, and droplet dynamics
The superomniphobic surface was chemically resistant to corrosive acids and bases, allowing a stable cassie state to remain on the surface for chemical fluidic processing. The scientists confirmed loss-free fluid interfacing via fluorescence imaging of the omniphobic surface and compared the results with controls to show near loss-free contact with fluids on the material of interest. Li et al. thereafter noted the light-sensing capacity of the system to show the conversion of irradiated light into a sharply bulged temperature profile in the system. They then investigated the motion of a 5 microliter (µl) droplet of water placed 13 mm away from the light spot center. When they turned the laser on, the droplet was attracted to the illumination in an oscillating mode, where it initially accelerated toward the laser, then rapidly braked and reversed direction on reaching the light spot's edge. To understand the underlying physics of droplet dynamics, the team developed a numerical simulation and varied the liquid types for the calculations to show that higher the relative permittivity and surface tension, the easier for liquid motion.
Fluidic operations. (A) Schematics showing four fundamental fluidic operations, including navigate, merge, split, and dispense. (B) Guided motions of a 0.001-μl silicone oil and 200-μl water droplets, showing the broad controllable volume range. (C) Infrared thermal imaging showing the temperature distribution within pyroelectric crystal along the direction of moving laser spot. (D) Sequential images showing the merge between two isolated water droplets. (E) Sequential images showing the split of an ethanol droplet upon a centered prolonged irradiation. Laser is turned on at ~−2 s. (F) Sequential images showing the dispenses of liquid portions from a silicone oil droplet through offset prolonged irradiation. Photo credit:Wei Li, The University of Hong Kong. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc1693 
The team performed a variety of fluidic functions using a single beam of laser light, where the wavy dielectrophoretic force profile could unexpectedly trap and move droplets with a volume as low as 0.001 µL. The team also handled a 200 µL puddle without loss on the platform, suited for miniaturization of biomedical systems. Cependant, the technique had its limits with a maximum laser-moving velocity beyond which the droplet could not keep up with laser movement. En outre, Li et al. facilitated a strong navigating force for droplets to defy gravity and ascend uphill by placing the platform vertically, allowing the superior technique to precisely manipulate various liquids at the micro-/nanoliter scale, which is of fundamental importance across multiple fields. Using the method, the team observed the loss-free detection of amino acids such as glycine and low-surface tension liquids such as ethanol. The method has great potential in analytical chemistry, medical diagnosis, and biomedicine.
De cette façon, Wei Li and colleagues developed a unique wavy dielectrophoretic force field in response to light stimuli with a three-layered surface for well-controlled, loss-free liquid motion, merging, dispensing and splitting functionalities. They readily modified the force by superimposing multiple light irradiations for richer fluidic functionality and droplet patterning applications. The method will facilitate fluid maneuver on demand for applications in biochemical and fluidic processing reactions, fluidic engineering and manufacturing for precision patterning and for droplet multi-compartmentalization.
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