La manipolazione versatile delle goccioline su scale diverse rappresenta una promessa significativa in vari campi, in particolare nella chimica di precisione e nella diagnostica biomedica. Da un punto di vista pratico, tecniche efficaci di manipolazione delle goccioline richiedono integrazione multifunzionale e applicabilità su varie scale.
L'eccitazione magnetica ha ottenuto un'adozione diffusa nel campo della manipolazione delle goccioline grazie ai suoi vantaggi, come la controllabilità remota, la biocompatibilità, l'insensibilità ai fattori ambientali come la carica del substrato e l'eccellente trasparenza. Tuttavia, l'espansione delle capacità di manipolazione delle goccioline magneticamente reattive e l'estensione delle diverse funzionalità dalle scale dei microlitri ai nanolitri rimangono sfide formidabili.
In risposta a questa sfida, il professor Hu Yanlei e il suo gruppo di ricerca del Laboratorio di Micro/Nano Ingegneria dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) dell’Accademia Cinese delle Scienze (CAS), in collaborazione con altri ricercatori, hanno sviluppato un Robot origami Janus azionato magneticamente che utilizza tecniche di nanofabbricazione con laser a femtosecondi.
Questo robot consente l'integrazione efficace di diverse funzionalità di manipolazione delle goccioline, tra cui il trasporto tridimensionale delle goccioline, la fusione, la divisione, l'erogazione precisa e il rilascio su richiesta delle goccioline figlie, nonché l'agitazione e il riscaldamento remoto.
Inoltre, questa strategia di manipolazione mostra notevole stabilità e consente la manipolazione di goccioline che coprono volumi da circa 3,2 nanolitri a circa 51,14 microlitri. I risultati di questa ricerca, intitolata "Magnetic Janus origami robot for cross-scale droplet omni-manipulation", sono stati pubblicati su Nature Communications .
Le superfici superiore e inferiore del robot origami Janus a doppio strato reattivo magneticamente mostrano proprietà bagnanti distinte. La superficie superiore del robot è in uno stato superidrofobico con bassa adesione delle goccioline, mentre la superficie inferiore è idrofobica con elevata adesione delle goccioline.
Contemporaneamente, sulla superficie superiore del robot sono progettate due pieghe per facilitare l'avvolgimento spontaneo delle goccioline sottoposte a forze capillari al contatto. Il profilo complessivo, le pieghe e le strutture micro/nanofunzionali superficiali del robot vengono fabbricati e modificati tramite scansione laser a femtosecondi.
Spinto da un campo magnetico, il robot si avvicina attivamente e incapsula le gocce d'acqua rotolando, consentendo il trasporto controllato delle gocce. Inoltre, il robot origami Janus a doppio strato reattivo ai magneti può distribuire goccioline figlie da goccioline più grandi attraverso il rotolamento e la piegatura mirati.
Controllando l'intensità del campo magnetico, le goccioline figlie distribuite possono essere estruse dal robot. Sfruttando il suo esterno superidrofobico appositamente progettato, il robot spinge delicatamente le goccioline per un rilascio e una separazione controllati. Il robot può anche ruotare sotto l'influenza del campo magnetico, ottenendo una miscelazione controllata dei liquidi e, in combinazione con le sue proprietà fototermiche, consentendo il riscaldamento remoto.
I robot origami Janus a sensibilità magnetica sono stati sviluppati per consentire una manipolazione versatile di goccioline su scala trasversale, offrendo funzionalità simili agli agitatori magnetici commerciali. Oltre alla rapida miscelazione dell'acqua, questi robot mostrano la capacità di miscelare efficacemente liquidi ad alta viscosità come il glicerolo attraverso le loro funzioni di riscaldamento e agitazione, raggiungendo temperature superiori a 80°C.
Basandosi sulle loro diverse capacità di manipolazione delle goccioline, i robot origami Janus a reazione magnetica integrano perfettamente varie funzionalità di gestione delle goccioline per raggiungere obiettivi di manipolazione continua delle goccioline. Ad esempio, i robot si avvicinano autonomamente alle goccioline d’acqua attraverso movimenti rotatori, erogano volumi specifici di goccioline figlie, trasportano queste goccioline figlie erogate per fonderle con altre goccioline e infine facilitano la rapida miscelazione di goccioline di diversi componenti attraverso l’agitazione. Questa integrazione multifunzionale della manipolazione delle goccioline si estende perfettamente alla scala dei nanolitri.
In una dimostrazione di prova, i robot, in seguito alle modifiche della superficie, hanno eseguito con successo l'estrazione e la purificazione degli acidi nucleici.
In sintesi, i robot origami Janus a reazione magnetica consentono la manipolazione di goccioline su scala trasversale, con implicazioni significative per la consegna precisa dei reagenti, la modellazione delle microgocce e le reazioni rapide delle microgocce in diversi campi come l'ingegneria chimica fine, la diagnostica medica e le tecnologie microfluidiche.
Ulteriori informazioni: Shaojun Jiang et al, robot origami Magnetic Janus per la manipolazione omnipolare di goccioline su scala incrociata, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41092-1
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina
