• Home
  • Chimica
  • Astronomia
  • Energia
  • Natura
  • Biologia
  • Fisica
  • Elettronica
  • Microfluidica fotopiroelettrica sviluppata dai ricercatori

    Progettazione di microfluidica fotopiroelettrica. (A) Schema della piattaforma fotopiroelettrica a tre strati costituita dalla superficie superonnifobica (rete di nanosfere di silice), cristallo piroelettrico (niobato di litio), e film fototermico (polimero drogato con grafene) in cui le goccioline sono controllate da una luce nel vicino infrarosso (NIR). (B) Schemi che mostrano il meccanismo della microfluidica fotopiroelettrica. Come la luce irradia, il film fototermico composto da nanopiastrine di grafene produce calore per effetto fototermico. Attraverso il trasferimento di calore, la temperatura all'interno del cristallo piroelettrico aumenta, richiedere addebiti gratuiti di superficie, che spinge la goccia in movimento attraverso la forza dielettroforetica. (C) Immagine in sezione trasversale al microscopio elettronico a scansione (SEM) della superficie superomnifobica. L'inserto è l'immagine di un olio di silicone da 5 μl che risiede sulla superficie con un angolo di contatto di 151°. (D) All'aumentare della temperatura, la polarizzazione spontanea del cristallo piroelettrico diminuisce, dando luogo ad addebiti gratuiti di superficie extra. (E) Immagini SEM in sezione trasversale e spettroscopia a raggi X a dispersione di energia del film composito di grafene-polimero, mostrando grafene omogeneamente disperso. (F) Immagini sequenziali che mostrano una manipolazione continua di un olio di silicone da 5 μl utilizzando un laser a 785 nm. Il laser è acceso a 0 s, se non diversamente specificato. (G) Cronofotografie che mostrano una manipolazione continua di una goccia di etanolo. (H) Cronofotografie che mostrano una manipolazione continua di una gocciolina di n-eptano. (I) Cronofotografie che mostrano una manipolazione continua di una goccia di glicerolo. Credito fotografico:Wei Li, L'Università di Hong Kong. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc1693

    La manipolazione precisa di vari liquidi è essenziale in molti campi e, a differenza degli oggetti solidi, i fluidi sono intrinsecamente divisibili. I fluidi sono anche appiccicosi con funzioni appropriate per la manipolazione senza perdite per prevenire perdite e contaminazioni. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Wei Li e colleghi di ingegneria meccanica e ricerca e innovazione in Cina hanno presentato la microfluidica fotopiroelettrica per soddisfare requisiti così diversi. La piattaforma fluidica ha facilitato lo sviluppo di un campo di forza dielettroforetico ondulato unico da un singolo raggio di luce per eseguire notevolmente la manipolazione delle goccioline senza perdite desiderata e funzionare come una superficie "magica" a prova di bagnatura. La piattaforma liquida potrebbe navigare, fusibile, pizzicare e scindere fluidi su richiesta per stabilire vettori di carico con ruote a goccia e ha il potenziale per aumentare la concentrazione massima di prodotti come le proteine ​​di 4000 volte.

    Metodi esistenti per unire i fluidi

    La manipolazione superficiale di tamponi e solventi organici è fondamentale per molte applicazioni biologiche e funzioni chimiche che sono fondamentali per una varietà di processi termici, applicazioni ottiche e mediche. Per realizzare questo, gli scienziati devono progettare una piattaforma per consentire la suddivisione e la fusione di fluidi indirizzabili localmente per la navigazione con un basso tasso di perdita in un processo facilmente controllabile. La luce può superare altri stimoli grazie alla sua natura senza contatto, alta precisione, e controllabilità del raggio maturo rispetto all'ottica geometrica, Per esempio, per formare pinzette ottiche che intrappolano e sloggiano i micro-oggetti. Diversi approcci hanno quindi esplorato il potenziale di foto-manipolazione dei liquidi sfruttando la conversione dell'energia del fotoelettrico, fototermico, proprietà fotochimiche e fotomeccaniche per navigare e fondere con precisione i fluidi. Tuttavia, queste tecniche non possono dividere e manipolare i fluidi senza perdite. Perciò, in questo lavoro, Li et al. presentato un approccio senza precedenti.

    Manipolazione di olio di silicone, n-esadecano, n-decano, n-eptano, etanolo, e goccioline di alcol isopropilico. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc1693

    Il nuovo approccio

    Il team ha semplicemente impilato tre strati omogenei, compreso un film fototermico utilizzando un polimero drogato con grafene, cristallo piroelettrico utilizzando un wafer di niobato di litio, e una superficie superomnifobica utilizzando una nanosfera di silice. I tre strati hanno funzionato di concerto per applicazioni senza perdite di anche, fluidi a bassissima tensione superficiale in presenza di un singolo fascio di luce.

    Hanno composto il film fototermico con un composito monostrato di grafene per rilevare gli stimoli luminosi e le risposte generate dalla termogenesi irregolare. Il cristallo piroelettrico converte il calore in cariche elettriche extra per formare un profilo ondulato di forza dielettroforetica che potrebbe intrappolare, erogare e dividere i liquidi. Hanno impiegato la tecnica per eseguire quattro funzioni fondamentali tra cui movimento, fusione, erogazione e frazionamento di vari liquidi in condizioni ben controllate, condizioni senza perdite senza elettrodi complicati e circuiti ad alta tensione. L'approccio avrà un impatto significativo in tutti i campi multidisciplinari.

    Caratterizzazione dell'interfacciamento del fluido e del light sensing. (A) Immagine di goccioline d'acqua, etanolo, acetone, diclorometano (DCM), olio di silicone (PDMS), n-eptano, dimetilformammide (DMF), e acetato di etile che risiede sulla superficie traslucida superonnifobica. (B) Immagine SEM che mostra la rete frattale della superficie superomnifobica. L'inserto mostra le tipiche strutture invertite. (C) Super-repellenza verso vari liquidi. (D) La forza adesiva è inversamente proporzionale alla tensione superficiale. Le barre di errore indicano la SD di tre misurazioni indipendenti. (E) Residui liquidi rilevati su diverse superfici onnifobe mediante imaging a fluorescenza. (F) Intensità di fluorescenza e frazione di area delle immagini in (E), mostrando la perdita di liquido notevolmente ridotta sulla superficie superomnifobica (SOP). Le barre di errore indicano la SD di tre misurazioni indipendenti. (G) Immagini sequenziali che mostrano una gocciolina di n-eptano (r0 ≈ 1 mm, Noi ≈ 20) rimbalza sulla superficie, mostrano una bassa adesione ai liquidi organici. L'intervallo di tempo tra ogni istantanea è di ~4 ms. (H) Imaging termico a infrarossi e grafico che mostra la distribuzione della temperatura sul film fototermico con irradiazione laser da 400 mW. (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, respectively, 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. Credito:progressi scientifici, 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. Credito:progressi scientifici, 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. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc1693

    Fluidic functionality, versatility, and biocompatibility

    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. Però, the technique had its limits with a maximum laser-moving velocity beyond which the droplet could not keep up with laser movement. Additionally, 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.

    In questo 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.

    © 2020 Scienza X Rete




    © Scienza https://it.scienceaq.com