Diagrama esquemático de la fabricación del PIPGF con humectabilidad programable. A) la humectabilidad sintonizable del PIPGF se puede controlar de forma remota mediante luz NIR. B) se formaron vías de humectabilidad programables en la superficie del PIPGF mediante la integración de la máscara NIR para la manipulación controlada de las gotas. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aat7392.
En ciencia de materiales, la humectabilidad de la superficie de un biomaterial se puede medir utilizando el ángulo de contacto con el agua de la superficie como una caracterización importante de su hidrofilicidad o hidrofobicidad. La técnica ha atraído una atención notable en los últimos años para el desarrollo de materiales en las áreas de energía, ciencias de la salud y del medio ambiente. Las superficies bioinspiradas se han diseñado con una variedad de funcionalidades y propiedades especiales de humectabilidad para imitar la naturaleza.
Entre estos, Las superficies porosas resbaladizas con infusión de líquido (SLIPS) superaron a sus contrapartes naturales para proporcionar superficies de vanguardia con repelencia estable y sin defectos para una variedad de líquidos simples y complejos. Para ampliar la aplicación de SLIPS con humectabilidad ajustable, Las superficies adaptativas estaban hechas de película líquida soportada por un sustrato elástico nanoporoso. Aunque la regulación basada en contacto experimentó muchas de estas mejoras para permitir las superficies resbaladizas existentes, su control del espacio-tiempo a través del no contacto permanece sin realizar. Además, Quedan por desarrollar superficies resbaladizas con humectabilidad programable que puedan manipular gotas espacio-temporal para lograr un impacto revolucionario en la tecnología de microfluidos.
Ahora escribiendo en Avances de la ciencia , Wang y col. presentar una novela, Película de grafeno poroso con infusión de parafina (PIPGF) que consiste en un material esponjoso de grafeno poroso infundido con parafina. El proceso permitió que la parafina hiciera una transición reversible entre las fases sólida y líquida con el efecto fototérmico del grafeno bajo la luz del infrarrojo cercano (NIR). Cuando la superficie de la parafina se calentó hasta que se fundió, las gotas de agua podrían deslizarse hacia abajo a lo largo de la película de grafeno, y cuando la parafina se enfrió, gotitas clavadas en la superficie de la película. La humectabilidad de la superficie y el estado de la materia de PIPGF podrían controlarse de forma remota con alta estabilidad y rápida reversibilidad utilizando luz NIR. Los autores integraron máscaras NIR para que la parafina pudiera derretirse en los patrones correspondientes en el PIPGF para formar vías programables para las gotas deslizantes. El PIPGF facilitó las vías de humectabilidad programables para simplificar el manejo de líquidos en microplacas, microarrays de gotas y en distintos microrreactores de microfluidos con potencial para aplicaciones en el diagnóstico de grupos sanguíneos. Las características conferían versatilidad a las plataformas PIPGF fotocontrolables para aplicaciones que implican manipulación de gotas.
Microestructuras y humectabilidad superficial de la película de esponja de grafeno y el PIPGF. (A y B) las imágenes SEM de la película de esponja de grafeno y (C y D) el PIPGF, (A) y (C) son superficies topológicas, (B) y (D) son secciones transversales de la película correspondiente. (E) ángulos de contacto con el agua de la película de esponja de grafeno poroso medidos con el interruptor láser encendido / apagado. (F) progreso de la gota de agua deslizándose por la superficie del PIPGF con el láser encendido (el ángulo de deslizamiento es de 5 grados); (G) progreso de la gota de agua que se desliza por la superficie del PIPGF con el láser apagado (el ángulo de deslizamiento es de 87 grados). (H) variación del ángulo de deslizamiento del agua del PIPGF en función de los números de ciclo del láser. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aat7392.
En el estudio, óxido de grafeno reducido (GO) hasta ahora denominado grafeno, se añadió a un molde preparado con dos portaobjetos de vidrio planos para crear la película de esponja de grafeno 3-D. Enlace iónico con Ca 2+ (CaCl 2 ), seguida de la reducción con ácido yodhídrico (HI) y la posterior liofilización permitieron la formación de la estructura porosa. La película de esponja de grafeno se investigó con microscopía electrónica de barrido (SEM) para observar una arquitectura en forma de panal con áreas de superficie específicas altas. La hidrofobicidad de la superficie y la estructura de red porosa de la película de esponja de grafeno permitieron la infusión de líquido de parafina derretido en los poros de la esponja para construir una superficie resbaladiza. Las fuerzas capilares y la química coincidente entre la parafina líquida y las superficies de grafeno sólido permitieron una cobertura uniforme del andamio de grafeno. mostrando arrugas aparentes y una capa uniforme de parafina en la película de esponja de grafeno.
Movilidad de gotas en una superficie PIPGF inclinada. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aat7392.
La transición de la parafina de sólido a líquido en PIPGF podría controlarse de forma remota con una operación sencilla, alta estabilidad y rápida reversibilidad con luz NIR. La humectabilidad de la superficie de PIPGF se midió con NIR encendido / apagado para determinar el contacto y los ángulos de deslizamiento de las gotas de agua en su superficie. En primer lugar, el ángulo de contacto con el agua en la película de esponja de grafeno demostró hidrofobicidad superficial (~ 110 0 ); después de eso, Se observó una disminución del ángulo de contacto en el PIPGF con NIR encendido (~ 79 0 ) y apagado (~ 102 0 ), indicando hidrofilicidad superficial comparativa.
El ángulo de deslizamiento de la gota de agua fue de solo 5 0 con el láser encendido, mientras que el ángulo aumentó (87 0 ) cuando se apagó el láser. Such NIR-controlled tunable wettability of the PIPGF provides a promising method for dynamically manipulating the mobility of droplets on a surface on demand, for tunable and reversibly repellent droplet handling technologies.
The authors integrated additional NIR masks on the PIPGF, to enable programmable wettability pathways for spatiotemporal droplet manipulation. When using NIR masks, the irradiated paraffin melted in the desired pattern to become slippery, while the unirradiated part remained rough. The ability to control the droplet guiding pathway on PIPGF surfaces for programmable spatiotemporal droplet flexibility is of significance for microfluidic technologies.
Programmed wettability pathways. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126/sciadv.aat7392.
To demonstrate practical applications of NIR-controlled programmable wettability pathways, the authors used PIPGF for liquid handling in microplate technology to create a greatly simplified yet accurate and reusable pipetting process. Different samples could be pipetted into wells simultaneously to conserve time.
Además, the PIPGF with more complex Y-shaped or Y-Y composite channels could be programmed to form distinctive microreactors for controlled droplet-based chemical merging reactions. The applications highlight the potential of PIPGF in microfluidic systems and in laboratory-on-a-chip settings. To demonstrate its potential in practice, the authors conducted a human blood grouping (ABO and Rh) diagnosis using the platform. An individual's blood type can be detected by monitoring the hemagglutination reaction between antigens and antibodies, which traditionally requires observational skills and facilities. En el estudio, the authors simply monitored blood grouping after mixing with antibodies, to detect if the composite blood groups slid down the PIPGF or not. Blood drops with no hemagglutination reaction slid, whereas blood drops where agglutination occurred remained pinned to the PIPGF surface.
Manipulating droplet reactions and practical applications with blood grouping. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126/sciadv.aat7392.
The volume ratios of blood droplets to antibody droplets should be precisely optimized to influence the reaction time of hemagglutination. The simple detection and significant results on PIPGF microreactors may find important roles in cost-effective, clinical blood grouping applications. Photocontrollable PIPGF can form intelligent droplet microfluidic systems, with expansive features for programmable, multidisciplinary wettability applications in chemistry, materials engineering, energy and healthcare.
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