La manipulación de gotas tiene aplicaciones importantes en áreas como la gestión del calor, la recolección de agua y las reacciones químicas. Un equipo de investigación de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) desarrolló una pinza de gotas electrostáticas multifuncional que puede "atrapar" con precisión gotas de líquido y guiar de forma remota su movimiento en superficies planas e inclinadas, y en medios de aceite. Los experimentos demostraron que la pinza puede manipular gotas de diferentes volúmenes y con diferentes componentes. Tiene aplicaciones potenciales en áreas como el análisis químico y biológico de alto rendimiento.

El equipo de investigación está dirigido por el profesor Wang Zuankai, profesor titular del Departamento de Ingeniería Mecánica (MNE) de CityU. Sus hallazgos fueron publicados en la revista académica Proceedings of the National Academy of Sciences , bajo el título "Pinzas electrostáticas para la manipulación de gotas".

Los enfoques actuales para manipular las gotas aprovechan principalmente el gradiente de fuerza superficial construido en los sustratos o aplican directamente una fuerza externa a las gotas. Estos métodos siempre requieren que los sustratos o las gotas respondan a fuerzas externas. Debido a la naturaleza deformable de las gotas, los métodos existentes para la manipulación de líquidos enfrentan muchos desafíos tecnológicos, como distancias cortas, baja velocidad, condiciones de operación restringidas y la necesidad de agregar aditivos sensibles a las gotas.

Manipulación de gotas usando electricidad estática

Para superar tales limitaciones tecnológicas, el profesor Wang y su equipo desarrollaron con éxito una pinza electrostática de gotas multifuncional que utiliza la inducción electrostática para "atraer" y manipular de forma remota gotas de líquido de diferentes cantidades, tipos y volúmenes hasta una distancia de unos pocos centímetros. En resumen, la pinza puede mover las gotas sin tocarlas directamente.

Inspirándose en la inducción electrostática de materiales sólidos, el equipo de investigación aplicó la inducción electrostática en un líquido para lograr la manipulación de gotas. La inducción electrostática se refiere a la redistribución de cargas eléctricas en un conductor, provocada por la influencia de cargas eléctricas externas. Finalmente, el equipo desarrolló con éxito la tecnología de pinzas electrostáticas de gotas (DEST), eliminando la necesidad de aditivos y logrando una manipulación de gotas programable sin tener contacto directo con las gotas.

El sistema DEST consta de dos partes:una pinza con un voltaje externo aplicado en la punta del electrodo y un sustrato, que está conectado a tierra eléctricamente. Las gotas se colocan sobre el sustrato, y cuando la pinza electrostática se conecta a la alimentación, las cargas eléctricas de las gotas y el sustrato se redistribuyen debido a la inducción electrostática. Esto permite que la pinza electrostática "atrape" con precisión las gotas y las guíe hacia los electrodos en la punta con un voltaje adecuado.

"El DEST es programable", dijo el profesor Wang. "Nuestros experimentos demostraron que el DEST puede guiar el movimiento de las gotas de líquido en espacios abiertos, canales cerrados e incluso aceite. El DEST también nos permite maniobrar gotas desde decenas de nanolitros hasta varios mililitros y diferentes cantidades", dijo el profesor Wang.

Diferentes modos de manipulación DEST

La investigación encontró que DEST puede lograr diferentes modos. Por ejemplo, en el modo de guía, la gota sigue el movimiento de la pinza con el electrodo en su punta. En el modo de captura, la gota se mueve hacia la pinza estacionaria con el electrodo "encendido". Cambiar el estado "encendido" o "apagado" del electrodo de la pinza permite que la gota se mueva o permanezca en la posición deseada de la pinza. Cuando el electrodo de una pinza está "apagado" pero el vecino está "encendido", la gota se mueve hacia la pinza "encendida", logrando un movimiento direccional (video 2).

En el modo de captura continua del DEST, dado que todos los electrodos de la pinza están "encendidos", la gota se mueve continuamente a la siguiente pinza "encendida" (video 3).

En comparación con otras tecnologías de manipulación de gotas, DEST logra una manipulación de gotas precisa y programable con alta velocidad, distancia ilimitada y dirección de dirección ágil. La tecnología ofrece una plataforma potencial para usar la manipulación de gotas para reacciones químicas, como reacciones de precipitación y reacciones de color. DEST también se puede aplicar para transportar pequeños objetos sólidos y para realizar una limpieza selectiva de superficies y detección de espectroscopia Raman mejorada de superficie de alto rendimiento.

“También preparamos un sustrato superhidrofóbico funcionalizado con nanopartículas de plata, para que cuando las gotas manipuladas se muevan sobre este sustrato, lleven las nanopartículas de plata. Esto mejoró la sensibilidad en la medición Raman debido a las propiedades plasmónicas de las nanopartículas de plata en las gotas. Cuando la pinza electrostática mide y elimina una gota, las gotas subsiguientes se pueden mover a la posición del láser para otra medición, y los resultados de la medición no interfieren entre sí. Otra ventaja del DEST para ayudar a la medición Raman es que elimina la necesidad de un láser preciso que se enfoque en la gota, lo que acorta en gran medida el tiempo de medición y logra una detección de información de gotas de alto rendimiento", explicó el Dr. Jin Yuankai, Postdoctorado en la MNE y primer autor del artículo.

"Nuestra tecnología aumentó la capacidad de control y amplió los escenarios de aplicación de la manipulación de gotas y simplificó el proceso de aplicación. Además, los sustratos utilizados en nuestro sistema DEST se pueden funcionalizar, mejorando su rendimiento para el análisis químico y biológico", concluyó el profesor Wang en su resultados de la investigación. + Explora más

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