Nella scienza dei materiali, la bagnabilità superficiale di un biomateriale può essere misurata utilizzando l'angolo di contatto dell'acqua superficiale come importante caratterizzazione della sua idrofilia o idrofobicità. La tecnica ha attirato negli ultimi anni notevole attenzione per lo sviluppo dei materiali nei settori dell'energia, scienze sanitarie e ambientali. Le superfici bioispirate sono state progettate con una varietà di funzionalità e proprietà speciali di bagnabilità per imitare la natura.

Tra questi, le superfici porose infuse di liquido scivoloso (SLIPS) hanno superato le loro controparti naturali per fornire superfici all'avanguardia con repellenza stabile e priva di difetti per una varietà di liquidi semplici e complessi. Per ampliare l'applicazione di SLIPS con bagnabilità sintonizzabile, le superfici adattive erano costituite da un film liquido supportato da un substrato elastico nanoporoso. Sebbene la regolazione basata sul contatto abbia subito molti di questi miglioramenti per consentire alle superfici scivolose esistenti, il loro controllo spazio-temporale tramite il non contatto rimane irrealizzato. Inoltre, Restano da sviluppare superfici scivolose con bagnabilità programmabile in grado di manipolare spazio-temporalmente le goccioline per un impatto rivoluzionario nella tecnologia della microfluidica.

Ora scrivendo Progressi scientifici , Wang et al. presentare un romanzo, film di grafene poroso infuso in paraffina (PIPGF) costituito da un materiale spugnoso di grafene poroso infuso con paraffina. Il processo ha permesso alla paraffina di passare in modo reversibile tra fasi solide e liquide con l'effetto fototermico del grafene alla luce del vicino infrarosso (NIR). Quando la superficie della paraffina è stata riscaldata fino a fondersi, le gocce d'acqua potrebbero scivolare lungo la pellicola di grafene, e quando la paraffina si è raffreddata, goccioline appuntate sulla superficie del film. La bagnabilità superficiale e lo stato della materia di PIPGF potrebbero essere controllati a distanza con elevata stabilità e reversibilità rapida utilizzando la luce NIR. Gli autori hanno integrato le maschere NIR in modo che la paraffina potesse fondersi in corrispondenza dei modelli corrispondenti sul PIPGF per formare percorsi programmabili per le goccioline che scivolano. Il PIPGF ha facilitato i percorsi di bagnabilità programmabili per semplificare la manipolazione dei liquidi nelle micropiastre, microarray di goccioline e in microreattori microfluidici distinti con potenziali applicazioni nella diagnosi dei gruppi sanguigni. Le caratteristiche hanno conferito versatilità alle piattaforme PIPGF fotocontrollabili per applicazioni che comportano la manipolazione di gocce.

Nello studio, ossido di grafene ridotto (GO) fino ad allora denominato grafene, è stato aggiunto a uno stampo preparato con due vetrini piani per creare il film di spugna di grafene 3-D. Legame ionico con Ca ²⁺ (CaCl ₂ ), seguita da riduzione con acido iodidrico (HI) e successiva liofilizzazione hanno consentito la formazione della struttura porosa. Il film di spugna di grafene è stato studiato con microscopia elettronica a scansione (SEM) per osservare un'architettura a nido d'ape con aree superficiali specifiche elevate. L'idrofobicità superficiale e la struttura a rete porosa del film di spugna di grafene hanno consentito l'infusione di liquido di paraffina fuso nei pori della spugna per costruire una superficie scivolosa. Le forze capillari e la chimica di corrispondenza tra la paraffina liquida e le superfici di grafene solido hanno consentito una copertura uniforme dell'impalcatura di grafene, mostrando rughe apparenti e rivestimento uniforme di paraffina sul film di spugna di grafene.

La transizione della paraffina da solida a liquida in PIPGF potrebbe essere controllata a distanza con facilità d'uso, elevata stabilità e reversibilità rapida grazie alla luce NIR. La bagnabilità superficiale di PIPGF è stata misurata con NIR acceso/spento per determinare il contatto e gli angoli di scorrimento delle gocce d'acqua sulla sua superficie. All'inizio, l'angolo di contatto con l'acqua sul film di spugna di grafene ha dimostrato idrofobicità superficiale (~ 110 ⁰ ); in seguito, è stato osservato un angolo di contatto ridotto sul PIPGF con NIR acceso (~79 ⁰ ) e spento (~102 ⁰ ), indicando idrofilia superficiale comparativa.

The sliding angle of the water droplet was only 5 ⁰ with the laser switched on, whereas the angle increased (87 ⁰ ) when the laser was switched off. 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.

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.

Inoltre, 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. Nello studio, 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.

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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