La manipolazione delle goccioline ha importanti applicazioni in aree quali la gestione del calore, la raccolta dell'acqua e le reazioni chimiche. Un team di ricerca della City University di Hong Kong (CityU) ha sviluppato una pinzetta multifunzionale per goccioline elettrostatiche in grado di "intrappolare" con precisione le goccioline di liquido e guidarne a distanza il movimento su superfici piane e inclinate e in ambienti oleosi. Gli esperimenti hanno dimostrato che la pinzetta può manipolare goccioline di volumi diversi e con componenti diversi. Ha potenziali applicazioni in aree come l'analisi chimica e biologica ad alto rendimento.

Il gruppo di ricerca è guidato dal professor Wang Zuankai, presidente del Dipartimento di ingegneria meccanica (MNE) di CityU. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista accademica Proceedings of the National Academy of Sciences , sotto il titolo "Pinzette elettrostatiche per la manipolazione delle goccioline".

Gli attuali approcci alla manipolazione delle goccioline sfruttano principalmente il gradiente di forza superficiale costruito sui substrati o applicano direttamente la forza esterna alle goccioline. Questi metodi richiedono sempre che i substrati o le goccioline rispondano alle forze esterne. A causa della natura deformabile delle goccioline, i metodi esistenti per la manipolazione dei liquidi devono affrontare molte sfide tecnologiche, come breve distanza, bassa velocità, condizioni operative limitate e la necessità di aggiungere additivi reattivi alle goccioline.

Manipolazione delle goccioline utilizzando l'elettricità statica

Per superare tali vincoli tecnologici, il professor Wang e il suo team hanno sviluppato con successo una pinzetta elettrostatica multifunzionale per goccioline che utilizza l'induzione elettrostatica per "attirare" e manipolare a distanza goccioline liquide di diverse quantità, tipi e volumi fino a una distanza di pochi centimetri. In breve, la pinzetta può spostare le goccioline senza toccarle direttamente.

Ispirato dall'induzione elettrostatica di materiali solidi, il team di ricerca ha applicato l'induzione elettrostatica in un liquido per ottenere la manipolazione delle goccioline. L'induzione elettrostatica si riferisce alla ridistribuzione delle cariche elettriche in un conduttore, causata dall'influenza delle cariche elettriche esterne. Alla fine, il team ha sviluppato con successo la tecnologia delle pinzette elettrostatiche per goccioline (DEST), eliminando la necessità di additivi e ottenendo una manipolazione programmabile delle goccioline senza entrare direttamente in contatto con le goccioline.

Il sistema DEST è costituito da due parti:una pinzetta con una tensione esterna applicata sulla punta dell'elettrodo e un substrato, che è elettricamente collegato a terra. Le goccioline vengono poste sul substrato e quando la pinzetta elettrostatica è collegata all'alimentazione, le cariche elettriche delle goccioline e del substrato vengono ridistribuite a causa dell'induzione elettrostatica. Ciò consente alla pinzetta elettrostatica di "intrappolare" con precisione le goccioline e guidarle verso gli elettrodi sulla punta con una tensione adeguata.

"Il DEST è programmabile", ha detto il professor Wang. "I nostri esperimenti hanno dimostrato che il DEST può guidare il movimento delle goccioline di liquido in spazi aperti, canali chiusi e persino olio. Il DEST ci consente anche di manovrare goccioline da decine di nanolitri a diversi millilitri e quantità diverse", ha affermato il professor Wang.

Diverse modalità di manipolazione DEST

La ricerca ha scoperto che DEST può raggiungere diverse modalità. Ad esempio nella modalità guida, la gocciolina segue il movimento della pinzetta con l'elettrodo sulla punta. Nella modalità di cattura, la goccia si sposta verso la pinzetta fissa con l'elettrodo "acceso". La modifica dello stato "on" o "off" dell'elettrodo della pinzetta consente alla gocciolina di spostarsi o rimanere nella posizione desiderata della pinzetta. Quando l'elettrodo di una pinzetta è "spento" ma quello vicino è "acceso", la gocciolina si sposta sulla pinzetta "accesa", ottenendo un movimento direzionale (video 2).

Nella modalità di cattura continua del DEST, poiché tutti gli elettrodi della pinzetta sono "accesi", la gocciolina si sposta continuamente alla successiva pinzetta "attiva" (video 3).

Rispetto ad altre tecnologie di manipolazione delle goccioline, il DEST ottiene una manipolazione delle goccioline precisa e programmabile con alta velocità, distanza illimitata e direzione agile. La tecnologia offre una piattaforma potenziale per l'utilizzo della manipolazione delle goccioline per reazioni chimiche, come reazioni di precipitazione e reazioni di colore. DEST può anche essere applicato per trasportare piccoli oggetti solidi e per condurre la pulizia selettiva della superficie e il rilevamento della spettroscopia Raman con superficie ad alto rendimento.

"Abbiamo anche preparato un substrato superidrofobico funzionalizzato con nanoparticelle d'argento, in modo che quando le goccioline manipolate si muovono su questo substrato, trasportino le nanoparticelle d'argento. Ciò ha migliorato la sensibilità nella misurazione Raman grazie alle proprietà plasmoniche delle nanoparticelle d'argento nelle goccioline. Quando una goccia viene misurata e rimossa dalla pinzetta elettrostatica, le goccioline successive possono essere spostate nella posizione del laser per un'altra misurazione e i risultati della misurazione non interferiscono tra loro.Un altro vantaggio del DEST nell'assistere la misurazione Raman è che elimina il necessità di un laser preciso che si concentri sulla gocciolina, riducendo così notevolmente il tempo di misurazione e ottenendo un rilevamento di informazioni sulle goccioline ad alto rendimento", ha spiegato il dott. Jin Yuankai, Postdoc nel MNE e primo autore dell'articolo.

"La nostra tecnologia ha aumentato la controllabilità e ampliato gli scenari applicativi della manipolazione delle goccioline e semplificato il processo di applicazione. Inoltre, i substrati utilizzati nel nostro sistema DEST possono essere funzionalizzati, migliorandone le prestazioni per l'analisi chimica e biologica", ha concluso il professor Wang sul loro risultati della ricerca. + Esplora ulteriormente

Lo scienziato inventa il nuovo metodo di manipolazione delle goccioline "WRAP"