中科大 Nano Letters：飞秒激光直写和柔性转印制造的3D多功能磁响应液体操纵器

【背景介绍】

自然界中，生物利用其独特的表面结构来定向和自发地运输液滴。在实际应用中，液滴操纵对生物检测和化学微反应至关重要。但是，模仿生物静态结构的人造被动式液滴操纵表面通常效率低且不可逆。而与之相对的磁响应智能形貌（MIT）表面有生物相容性好、瞬时响应等优势，在主动式液滴操纵领域备受期待。虽然各种MIT表面已广泛用于可控的液滴运输，但是它们只能实现单向运输（水平或垂直）。同时，现有的MIT表面仍存在以下不足：（1）MIT表面要实现三维（3D）液滴/多液滴运输仍然具有挑战性；（2）由于对重力或表面张力不平衡的依赖，具有磁响应弯曲结构的MIT表面的液滴水平推进速度有限；（3）由于结构几何形状（微柱/微纤毛阵列）和驱动策略（常规磁场引起弯曲）的限制，MIT表面很难操纵多样化的离散液滴和连续流体。因此，亟需寻求一种3D、快速且多功能的液体操纵MIT表面。

【成果简介】

近日，中国科学技术大学吴东教授、胡衍雷副教授（共同通讯作者）等人报道了一种基于由空间变化、周期性磁场驱动的磁响应微板阵列（MMA）的3D液滴/多液滴运输策略。其中，改性的超疏水表面（SMMA）可以在水平和垂直方向上快速运输液滴，甚至可以实现反重力上坡推进。由于特定磁场引起的改性表面的顺序性突然反转，液滴可以在水平方向上被快速地推进（〜58.6 mm/s）。此外，作者还制备了一种非磁性响应微板/磁响应微板阵列（NMMs/MMA）复合表面以用于实现3D多液滴操作。进一步实验证实，MMA除了可以实现离散液滴的操纵，还可以用于连续流体和液态金属的操纵，为微流体的应用提供了一个有价值的平台。研究成果以题为“Three-dimensional multifunctional magnetically-responsive liquid manipulator fabricated by femtosecond laser writing and soft transfer”发布在国际著名期刊Nano Letters上。

该论文第一作者为中国科学技术大学微纳米工程实验室博士生蒋绍军，通讯作者为胡衍雷副教授,吴东教授。

【图文解读】

图一、SMMA的制造过程及其独特的3D液滴操纵
（a）MMA和SMMA的制造过程示意图；

（b）MMA的SEM图像；

（c）SMMA的SEM图像；

（d-e）SMMA的放大SEM图像；

（f-g）液滴的水平推进和垂直捕获/释放的示意图和光学图像。

图二、SMMA的磁响应特性以及液滴的水平运输机制
（a）磁场仿真和微板弯曲示意图；

（b）磁铁阵列不同位置的磁通密度和微板弯曲角度；

（c）在周期性磁场激励下，液滴在SMMA表面上的水平运输示意图；

（d）在SMMA表面上的液滴运输过程的光学图像；

（e-g）液滴运输速度与磁铁阵列速度、液滴体积和微板间隔的关系；

（h）液滴运输距离与时间的关系。

图三、液滴在SMMA表面上的水平操纵和反重力推进
（a-b）在周期性磁场激励下，液滴在SMMA上往复运输的示意图和光学图；

（c-d）液滴在超疏水修饰的NMMs/MMA复合表面上定向推进以及混合的示意图和详细工作过程图像；

（e）基于快速液滴水平推进和微观定点合并的简单化学反应；

（f）液滴爬上倾斜角约5.4^o的SMMA表面。

图四、垂直液滴操纵机制和基于垂直液滴操纵的多样化应用
（a）垂直液滴操纵的光学图像；

（b）垂直液滴操纵的机理；

（c）液滴体积和释放角（α）之间的定量关系；

（d）不同微板间隔的未经处理的MMA和SMMA的垂直液滴操纵能力；

（e）垂直捕获、水平运输和按需释放液滴；

（f）利用超疏水修饰的NMMs/MMA复合表面现并行垂直捕获和选择性释放多液滴。

图五、基于MMA表面的连续流体和液态金属的操纵
（a）在微流控芯片中远程操控流体混合的示意图和照片；

（b-c）在周期性磁场激励下，液态金属液滴通过MMA的顺序突然反转被定向推进；

（d）液态金属（LM）液滴和极性变化区域（PCR）的运动曲线。

【小结】

综上所述，作者开发了一种基于空间变化、周期性磁场驱动的磁响应液体操纵器来实现3D液滴/多液滴运输。基于由周期性磁场引起的微板阵列高频连续反转，液滴的水平推进速度可以达到〜58.6 mm/s，比其他的磁响应弯曲表面的液滴推进速度快。同时，磁响应液体操纵器还可以实现水平推进、反重力爬升推进、垂直定点捕获/目标点释放等3D液滴运输模式。此外，NMMs/MMA复合表面可用于快速微观定点合并、微化学反应和多液滴并行捕获/选择性释放等3D多液滴操作。微板阵列可以进一步用作微混合器以实现远程混合连续流体。此外，作者还利用该操纵器实现了无涂层和无化学反应的液态金属定向推进。所制备的磁响应操纵器具有多种液体操纵功能，为微化学和微流体领域的3D多功能液滴操纵提供了新平台。

文献链接：Three-dimensional multifunctional magnetically-responsive liquid manipulator fabricated by femtosecond laser writing and soft transfer （Nano Letters, 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02997）

通讯作者简介

胡衍雷，中国科学技术大学副教授。研究方向：超快激光微纳米加工技术、微纳米光子学、仿生表面和结构制造。2007年本科毕业于中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，2012年获中国科学技术大学工学博士学位，2009.10-2010.10德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）联合培养博士。曾在中国科学技术大学、澳大利亚斯威本科技大学(Swinburne University of Technology)做博士后研究，主要研究方向为超快激光微纳米加工技术，微纳米光子学，仿生表面和结构制造等。近年来在PNAS, Advanced Materials, Advanced Functional Materials， Light:Sci & Appl., ACS Nano, 科学通报等权威期刊发表SCI论文40余篇，研究成果多次被国内外媒体关注报道，包括国外学术网站High-Beam, Phys.org, Nanowerk以及国内新华网，光明日报，科技日报，中国科学报，人民网等。邮箱: huyl@ustc.edu.cn

吴东，中国科学技术大学教授。研究方向：激光微/纳加工、微纳米技术、先进精密制造、激光干涉技术 微光学器件、微机械（MEMS）、微芯片实验室、仿生功能结构。吴东教授于2005年在吉林大学电子科学与工程学院开始读研，师从孙洪波教授，2010年6月获博士学位，2012年荣获全国优秀百篇博士论文奖。2011年6月在日本理化学研究所（RIKEN）做博士后，2014年中国科学技术大学教授。吴教授的科研方向主要集中利用超快激光与材料的非线性作用和计算机控制扫描实现多种材料、高精度、三维加工和复杂造型能力，并提出了若干加工新原理和关键技术，以及将其应用于微光学、微机械、微流控和仿生表面等微纳结构和器件的制备，在Nature Photonics, Nature Communications, Light:Sci & Appl. (2篇，Nature系列子刊，1篇入选ESI“高被引论文”)，PNAS(美国科学院院刊)，Adv.Mater.，ACS Nano.，Laser Photon.Rev., Lab Chip（6篇，微流芯片领域top期刊）, APL（11篇），Opt.Lett./Opt.Express（15篇）等杂志发表相关论文70余篇，其中影响因子3.0以上62篇，9.0以上17篇。所发表的论文被杂志封面采用、专题评价、最高下载和转载累计50篇次，已被他引3000余次。相关研究受到中科院仪器专项、科技部重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。担任中国机械工程学会微/纳制造技术分会委员；LTO/CIOP国际光学会议委员；中国科协2018年青年科学家论坛共同执行主席；科技部重点研发计划会评专家；《中国激光》和《Frontiers of Optoelectronics》杂志的青年编委。2020年当选美国光学学会（OSA）旗下Top期刊Optics Letters的编辑（Topical editor）。邮箱: dongwu@ustc.edu.cn

团队在该领域工作汇总：

1. 磁场激励多功能双面神微板阵列用于水/光开关以及仿生同化着色。Multifunctional Janus Microplates Arrays Actuated by Magnetic Fields for Water/Light Switches and Bio-Inspired Assimilatory Coloration。Adv. Mater. 2019, 31, e1807507. 论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201807507. DOI：10.1002/adma.201807507.

2. 仿生跨物种各向异性表面利用单向微柱波实现主动式液滴运输。Cross-species Bio-inspired Anisotropic Surface for Active Droplets Transportation Driven by Unidirectional Microcolumn Waves. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020. 论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c10034. DOI: 10.1021/acsami.0c10034.

3. 在石蜡灌注微沟槽滑移表面利用原位切换焦耳热实现超低电压驱动多种液滴各向异性滑动的智能控制。Ultralow-Voltage-Driven Smart Control of Diverse Drop’s Anisotropic Sliding by In Situ Switching Joule Heat on Paraffin-Infused Micro-Grooved Slippery Surface. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 1, 1895–1904. 链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b17936. DOI: 10.1021/acsami.9b17936.

4. 超低电压下不同液体滑动与钉扎的原位可逆控制。 In Situ Reversible Control between Sliding and Pinning for Diverse Liquids under Ultra-Low Voltage. ACS Nano 2019, 13, 5, 5742–5752. 链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b01180. DOI: 10.1021/acsnano.9b01180.

5. 微槽滑移表面通过单向机械拉伸在各向同性和各向异性滑移之间的可逆调谐。Reversible Tuning between Isotropic and Anisotropic Sliding by One-Direction Mechanical Stretching on Microgrooved Slippery Surfaces. Langmuir 2019, 35, 32, 10625–10630. 链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.langmuir.9b01035. DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b01035.

相关优质文献推荐：

1. Zhu S, Bian Y, Wu T, et al. High Performance Bubble Manipulation on Ferrofluid-Infused Laser-Ablated Microstructured Surfaces. Nano Letters, 2020, 20(7): 5513-5521. 链接： https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c02091. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02091.

2. Zhang Y, Jiao Y, Li C, et al. Bioinspired micro/nanostructured surfaces prepared by femtosecond laser direct writing for multi-functional applications. International Journal of Extreme Manufacturing, 2020. 链接： https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ab95f6/meta DOI： 10.1088/2631-7990/ab95f6.

3. Haoyu Dai, et al, Directional liquid dynamics of interfaces with superwettability, Sci. Adv. 2020. 链接： http://advances.sciencemag.org/content/6/37/eabb5528. DOI：10.1126 / sciadv.abb5528.

本文由CQR编译。

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