Diseño de microfluidos fotopiroeléctricos. (A) Esquema de la plataforma fotopiroeléctrica de tres capas que consta de la superficie superomnifóbica (red de nanoesferas de sílice), cristal piroeléctrico (niobato de litio), y película fototérmica (polímero dopado con grafeno) donde las gotas son controladas por una luz infrarroja cercana (NIR). (B) Esquemas que muestran el mecanismo de microfluidos fotopiroeléctricos. Como irradia la luz, la película fototérmica compuesta de nanoplaquetas de grafeno produce calor debido al efecto fototérmico. Mediante transferencia de calor, la temperatura dentro del cristal piroeléctrico aumenta, provocando cargas libres de superficie, que impulsa la gota en movimiento a través de la fuerza dielectroforética. (C) Imagen de sección transversal de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la superficie superomnifóbica. El recuadro es la imagen de un aceite de silicona de 5 μl que reside en la superficie con un ángulo de contacto de 151 °. (D) A medida que aumenta la temperatura, la polarización espontánea del cristal piroeléctrico disminuye, dando lugar a cargas extra de superficie libre. (E) Imágenes de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía y SEM de corte transversal de la película compuesta de grafeno-polímero, mostrando grafeno homogéneamente disperso. (F) Imágenes secuenciales que muestran una manipulación continua de un aceite de silicona de 5 l utilizando un láser de 785 nm. El láser se enciende a los 0 s, a menos que se especifique lo contrario. (G) Cronofotografías que muestran una manipulación continua de una gota de etanol. (H) Cronofotografías que muestran una manipulación continua de una gota de n-heptano. (I) Cronofotografías que muestran una manipulación continua de una gota de glicerol. Crédito de la foto:Wei Li, Universidad de Hong Kong. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc1693
Manipular con precisión varios líquidos es esencial en muchos campos y, a diferencia de los objetos sólidos, los fluidos son intrínsecamente divisibles. Los fluidos también son pegajosos con funciones apropiadas para una manipulación sin pérdidas para evitar pérdidas y contaminación. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Wei Li y sus colegas en ingeniería mecánica e investigación e innovación en China presentaron microfluidos fotopiroeléctricos para cumplir con requisitos tan diversos. La plataforma fluídica facilitó el desarrollo de un campo de fuerza dielectroforético ondulado único a partir de un solo haz de luz para realizar notablemente la manipulación deseada de gotas sin pérdidas y funcionar como una superficie "mágica" a prueba de humectación. La plataforma líquida podría navegar fusible, pellizcar y escindir los fluidos a pedido para establecer transportadores de carga con ruedas de gotitas y tiene el potencial de aumentar la concentración máxima de productos entregables como proteínas en 4000 veces.
Métodos existentes para fusionar fluidos
La manipulación superficial de tampones y disolventes orgánicos es fundamental para muchas aplicaciones biológicas y funciones químicas que son críticas para una variedad de térmicas, aplicaciones ópticas y médicas. Para lograr esto, Los científicos deben diseñar una plataforma que permita que los fluidos direccionables localmente para la navegación con una tasa de pérdida baja se dividan y se fusionen en un proceso fácilmente controlado. La luz puede superar a otros estímulos debido a su naturaleza sin contacto, alta precisión, y la capacidad de control de los rayos maduros en relación con la óptica geométrica, por ejemplo, para formar pinzas ópticas que atrapan y desalojan microobjetos. Por lo tanto, varios enfoques han explorado el potencial de foto-manipular líquidos aprovechando la conversión de energía de energía fotoeléctrica, fototermia Propiedades fotoquímicas y fotomecánicas para navegar y fusionar fluidos con precisión. Sin embargo, estas técnicas no pueden dividir y manipular fluidos sin pérdidas. Por lo tanto, en este trabajo, Li y col. presentó un enfoque sin precedentes.
Manipulación de aceite de silicona, n-hexadecano, n-decano, n-heptano, etanol, y gotitas de alcohol isopropílico. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc1693
El nuevo enfoque
El equipo simplemente apiló tres capas homogéneas, incluyendo una película fototérmica que utiliza un polímero dopado con grafeno, cristal piroeléctrico utilizando una oblea de niobato de litio, y una superficie superomnifóbica que utiliza una nanoesfera de sílice. Las tres capas funcionaron en conjunto para aplicaciones sin pérdidas de incluso, fluidos de tensión superficial ultrabaja en presencia de un solo haz de luz.
Compusieron la película fototérmica con un compuesto de monocapa de grafeno para detectar los estímulos de luz y detectar las respuestas generadas por la termogénesis desigual. El cristal piroeléctrico convirtió el calor en cargas eléctricas adicionales para formar un perfil de fuerza dielectroforética ondulada que podría atrapar, dispensar y dividir los fluidos. Emplearon la técnica para realizar cuatro funciones fundamentales, incluido el movimiento, fusionando dispensación y división de varios líquidos bajo control bien controlado, condiciones sin pérdidas sin electrodos complicados y circuitos de alto voltaje. El enfoque tendrá un impacto significativo en campos multidisciplinarios.
Caracterización de la interconexión de fluidos y la detección de luz. (A) Imagen de gotas de agua, etanol, acetona, diclorometano (DCM), aceite de silicona (PDMS), n-heptano, dimetilformamida (DMF), y acetato de etilo que reside encima de la superficie superomnifóbica translúcida. (B) Imagen SEM que muestra la red fractal de la superficie superomnifóbica. El recuadro muestra las típicas estructuras invertidas. (C) Súper repelencia a varios líquidos. (D) La fuerza adhesiva es inversamente proporcional a la tensión superficial. Las barras de error denotan SD de tres medidas independientes. (E) Residuo líquido detectado en diversas superficies omnifóbicas mediante imágenes de fluorescencia. (F) Intensidad de fluorescencia y fracción de área de las imágenes en (E), mostrando la pérdida de líquido notablemente reducida en la superficie superomnifóbica (SOP). Las barras de error indican la SD de tres medidas independientes. (G) Imágenes secuenciales que muestran una gota de n-heptano (r0 ≈ 1 mm, We ≈ 20) rebota en la superficie, exhibiendo baja adherencia hacia líquidos orgánicos. El intervalo de tiempo entre cada instantánea es de ~ 4 ms. (H) Infrared thermal imaging and the plot showing the temperature distribution on photothermal film upon 400-mW laser irradiation. (I) Thermal response of graphene-PDMS composite films with varying contents of graphene nanoplatelets to 400-mW laser irradiation. Blue and red shaded regions denote off and on states, respectivamente, of the 785-nm laser. (J) Thermal response of PDMS film containing 5 wt % graphene nanoplatelets to laser power. The solid lines are from theoretical analysis. Photo credit:Wei Li, The University of Hong Kong. Crédito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc1693
Designing photopyroelectric microfluidics
Li and team used the three layers of closely sandwiched materials (the pyroelectric crystal, superomniphobic thin film and photothermal thin film) to form the platform. The top superomniphobic layer contained nanoscale fractal networks made by sintering hollow silica spheres covered with fluorinated surfactants to achieve super-repellence. In the bottom layer, they formed a uniform composite film by homogenizing graphene nanoplatelets with polydimethylsiloxane (PDMS) and cured the polymer. When a beam of near-infrared (NIR) light irradiated the surface, the translucent superomniphobic surface and pyroelectric wafer became a transparent window allowing the NIR to readily reach the underlying composite polymer film. This led to a partially uneven, localized temperature rise, giving form to extra surface free charges, allowing droplets on the superomniphobic surface to be driven forward to the irradiated spot via a dielectric force. The scientists applied the technique to a variety of liquids including organic solvents such as silicone oil, alkanes and alcohols. The platform provided a channel-free, open-space fluidic processor without the hassle of electrodes or micropatterning required for currently existing microfluidic counterparts.
Droplet climbs vertical wall. Crédito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc1693
Loss-free fluid interfacing, light sensitive sensing, and droplet dynamics
The superomniphobic surface was chemically resistant to corrosive acids and bases, allowing a stable cassie state to remain on the surface for chemical fluidic processing. The scientists confirmed loss-free fluid interfacing via fluorescence imaging of the omniphobic surface and compared the results with controls to show near loss-free contact with fluids on the material of interest. Li et al. thereafter noted the light-sensing capacity of the system to show the conversion of irradiated light into a sharply bulged temperature profile in the system. They then investigated the motion of a 5 microliter (µl) droplet of water placed 13 mm away from the light spot center. When they turned the laser on, the droplet was attracted to the illumination in an oscillating mode, where it initially accelerated toward the laser, then rapidly braked and reversed direction on reaching the light spot's edge. To understand the underlying physics of droplet dynamics, the team developed a numerical simulation and varied the liquid types for the calculations to show that higher the relative permittivity and surface tension, the easier for liquid motion.
Fluidic operations. (A) Schematics showing four fundamental fluidic operations, including navigate, merge, split, and dispense. (B) Guided motions of a 0.001-μl silicone oil and 200-μl water droplets, showing the broad controllable volume range. (C) Infrared thermal imaging showing the temperature distribution within pyroelectric crystal along the direction of moving laser spot. (D) Sequential images showing the merge between two isolated water droplets. (E) Sequential images showing the split of an ethanol droplet upon a centered prolonged irradiation. Laser is turned on at ~−2 s. (F) Sequential images showing the dispenses of liquid portions from a silicone oil droplet through offset prolonged irradiation. Photo credit:Wei Li, The University of Hong Kong. Crédito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc1693 
The team performed a variety of fluidic functions using a single beam of laser light, where the wavy dielectrophoretic force profile could unexpectedly trap and move droplets with a volume as low as 0.001 µL. The team also handled a 200 µL puddle without loss on the platform, suited for miniaturization of biomedical systems. Sin embargo, the technique had its limits with a maximum laser-moving velocity beyond which the droplet could not keep up with laser movement. Adicionalmente, Li et al. facilitated a strong navigating force for droplets to defy gravity and ascend uphill by placing the platform vertically, allowing the superior technique to precisely manipulate various liquids at the micro-/nanoliter scale, which is of fundamental importance across multiple fields. Using the method, the team observed the loss-free detection of amino acids such as glycine and low-surface tension liquids such as ethanol. The method has great potential in analytical chemistry, medical diagnosis, and biomedicine.
De este modo, Wei Li and colleagues developed a unique wavy dielectrophoretic force field in response to light stimuli with a three-layered surface for well-controlled, loss-free liquid motion, merging, dispensing and splitting functionalities. They readily modified the force by superimposing multiple light irradiations for richer fluidic functionality and droplet patterning applications. The method will facilitate fluid maneuver on demand for applications in biochemical and fluidic processing reactions, fluidic engineering and manufacturing for precision patterning and for droplet multi-compartmentalization.
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