Nano Energy：基于激光调制的液滴操控技术

导读:微液滴的可控运输对于生化分析、药物输送等领域具有重要意义。然而，目前大多数液滴控制技术只能支持液滴在二维平面传输，无法实现液滴在自由空间的三维输运。近日，河北工业大学米宇航等人运用掺铁铌酸锂基超疏水表面设计了一种三维液滴路由器（3D droplet-router），实现了微液滴在三维空间的全向路由输运。该成果以“3D Multimodal, omnidirectional router of aqueous microdroplets based on the synergy of photovoltaic and triboelectric effects”发表在《Nano Energy》上。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109509

微液滴的连续受控飞行

静止液滴的三维全向路由输运

二维级联路由输运

三维液滴路由器的设计：三维液滴路由器包括底层的掺铁铌酸锂晶体（LiNbO₃:Fe），中间层PTFE多孔薄膜和上层的超疏水涂层（氟化SiO₂纳米颗粒）。研究人员将掺铁铌酸锂晶体衬底的光伏效应与液滴在超疏水表面的摩擦带电效应相结合，利用掺铁铌酸锂晶体光伏电荷所激发的吸引或排斥静电力，提出了多种具有可编程性的液滴输运模式，例如二维平面内/二维平面外，偏转/捕获以及并行/级联模式（图1）。

图1.三维液滴路由器的设计

三维输运模式：

适用于光敏微滴3D路由输运模式：作者通过使用适当开/关光占空比的异步辐照，避免含有光敏物质的微液滴在三维输运时受到激光的直接照射（图2）。

图2. 适用于光敏微滴3D路由输运模式

静止液滴的三维全向路由输运模式：作者提出环形激光扫描辐照策略，通过降低局部区域的扫描速度，建立不对称光伏电场从而对微液滴施加倾斜的排斥力，迫使微液滴向低速扫描区域的相反方向弹跳（图3）。

图3.静止液滴的三维全向路由输运模式

运动液滴的三维全向路由输运模式：作者提出线形激光扫描辐照策略，实现了运动微液滴的三维全向路由输运，其中液滴的运动方向和弹跳轨迹由液滴初始运动路径与线形激光扫描中心点的位置偏差控制（图4）。

图4.运动液滴的三维全向路由输运模式

基于交叉点D的三维全向路由输运

三维级联输运模式：研究人员利用激光打标系统实现多区域激光辐照，可以根据需求在操控基底上创建功能(捕获/偏转)区域，实现液滴在自由空间内的级联输运。其中，作者通过适当调节排斥性光伏电场的分布，实现了微液滴的连续受控飞行（图5）。

图5.三维级联路由输运模式

总结：三维液滴路由器为微液滴在自由空间内的三维输运提供新的思路，其快速、无损的精确操控方式不仅在医疗检测和生化分析等领域重要意义，而且在液滴机器人、微流控加工等领域具有广阔应用场景。

作者介绍：
米宇航：2022年获得河北工业大学材料工程硕士学位。目前就职于中芯国际集成电路制造(天津)有限公司。目前的主要研究兴趣为液滴的光电悬浮控制、液滴微流体的新型操纵技术、电子器件的制造与表征。

槐泽超：河北工业大学材料与化学工程专业硕士研究生。目前在河北工业大学材料科学与工程学院从事科研工作。主要研究方向为光电操控和摩擦起电效应。

阎文博：2001年毕业于南开大学光学专业，获学士学位，2006年获博士学位。2009年赴意大利帕维亚大学量子电子实验室从事博士后研究一年。现任河北工业大学材料科学与工程学院材料物理专业正教授。他目前的研究重点是铌酸锂晶体和相关光子学应用。