La manipulation polyvalente de gouttelettes à différentes échelles est très prometteuse dans divers domaines, notamment en chimie de précision et en diagnostic biomédical. D'un point de vue pratique, les techniques efficaces de manipulation des gouttelettes nécessitent une intégration multifonctionnelle et une applicabilité à différentes échelles.
L'excitation magnétique a été largement adoptée dans le domaine de la manipulation des gouttelettes en raison de ses avantages, tels que la contrôlabilité à distance, la biocompatibilité, l'insensibilité aux facteurs environnementaux tels que la charge du substrat et l'excellente transparence. Cependant, étendre les capacités de manipulation des gouttelettes à réponse magnétique et étendre les diverses fonctionnalités des échelles du microlitre au nanolitre restent des défis formidables.
En réponse à ce défi, le professeur Hu Yanlei et son équipe de recherche du Laboratoire d'ingénierie micro/nano de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l'Académie chinoise des sciences (CAS), en collaboration avec d'autres chercheurs, ont développé un Robot origami Janus à actionnement magnétique utilisant des techniques de nanofabrication au laser femtoseconde.
Ce robot permet l'intégration efficace de diverses fonctionnalités de manipulation de gouttelettes, notamment le transport de gouttelettes tridimensionnelles, la fusion, la division, la distribution précise et la libération à la demande de gouttelettes filles, ainsi que l'agitation et le chauffage à distance.
De plus, cette stratégie de manipulation présente une stabilité remarquable et permet la manipulation de gouttelettes couvrant des volumes allant d'environ 3,2 nanolitres à environ 51,14 microlitres. Les résultats de cette recherche, intitulée "Robot origami magnétique Janus pour l'omni-manipulation de gouttelettes à grande échelle", ont été publiés dans Nature Communications .
Les surfaces supérieure et inférieure du robot origami bicouche Janus à réponse magnétique présentent des propriétés de mouillage distinctes. La surface supérieure du robot est dans un état superhydrophobe avec une faible adhérence des gouttelettes, tandis que la surface inférieure est hydrophobe avec une adhérence élevée des gouttelettes.
Simultanément, deux plis sont conçus sur la surface supérieure du robot pour faciliter l'enveloppement spontané des gouttelettes sous l'effet des forces capillaires lors du contact. Le profil global, les plis et les structures micro/nanofonctionnelles de surface du robot sont fabriqués et modifiés par balayage laser femtoseconde.
Entraîné par un champ magnétique, le robot s'approche activement et encapsule les gouttelettes d'eau en les roulant, permettant ainsi un transport contrôlé des gouttelettes. De plus, le robot origami Janus bicouche à réponse magnétique peut distribuer des gouttelettes filles à partir de gouttelettes plus grosses grâce à un roulage et un pliage dirigés.
En contrôlant l’intensité du champ magnétique, les gouttelettes filles distribuées peuvent être extrudées du robot. Tirant parti de son extérieur superhydrophobe spécialement conçu, le robot pousse doucement les gouttelettes pour une libération et une séparation contrôlées. Le robot peut également tourner sous l'influence du champ magnétique, permettant ainsi un mélange contrôlé des liquides et, en combinaison avec ses propriétés photothermiques, permettant un chauffage à distance.
Les robots origami Janus à réponse magnétique ont été développés pour permettre une manipulation polyvalente des gouttelettes à plusieurs échelles, offrant des fonctionnalités similaires aux agitateurs magnétiques commerciaux. Au-delà du mélange rapide de l'eau, ces robots présentent la capacité de mélanger efficacement des liquides à haute viscosité tels que le glycérol grâce à leurs fonctions de chauffage et d'agitation, atteignant des températures supérieures à 80 °C.
S'appuyant sur leurs diverses capacités de manipulation de gouttelettes, les robots origami magnétiques Janus intègrent de manière transparente diverses fonctionnalités de manipulation de gouttelettes pour atteindre les objectifs de manipulation continue des gouttelettes. Par exemple, les robots s'approchent de manière autonome des gouttelettes d'eau par des mouvements de roulement, distribuent des volumes spécifiques de gouttelettes filles, transportent ces gouttelettes filles distribuées pour les fusionner avec d'autres gouttelettes et facilitent enfin le mélange rapide de gouttelettes de différents composants par agitation. Cette intégration multifonctionnelle de manipulation de gouttelettes s'étend de manière transparente à l'échelle du nanolitre.
Dans une démonstration de validation de principe, les robots, suite à des modifications de surface, ont réussi l'extraction et la purification des acides nucléiques.
En résumé, les robots origami Janus à réponse magnétique permettent la manipulation de gouttelettes à plusieurs échelles, ce qui a des implications significatives pour l'administration précise de réactifs, la structuration des microgouttelettes et les réactions rapides des microgouttelettes dans divers domaines tels que l'ingénierie chimique fine, les diagnostics médicaux et les technologies microfluidiques.
Plus d'informations : Shaojun Jiang et al, Robot origami Janus magnétique pour l'omnimanipulation de gouttelettes à plusieurs échelles, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-41092-1
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par l'Université des sciences et technologies de Chine
