水向上流不是夢! 實現液滴高速的長距離自驅動傳輸新策略!

在科學探索道路上,科研人員往往銳意進取,顛覆固有觀念,再大膽假設,小心求證。香港城市大學(香港城大)研究團隊與國內外專家合作,首次引入「表面電荷密度梯度」的概念,成功實現了液滴高速自驅動傳輸新策略。

01打破傳統!實現滴液傳輸新突破

一直以來,若要在沒有外力推動的情況,在固體表面上高速地傳輸液滴一段長距離,甚至令液滴反地心吸力而行,都是一項艱巨挑戰。

不過,由來自香港城大、三間大學及研究所的科學家們組成的研究團隊,於近日研發出了新方法,能夠讓液滴在不施加外力的情況下,實現自驅動,高速傳輸一段長距離,並首次實現液滴沿著表面垂直上升。這新策略對於在微流器件、生物分析器件等方面的應用打開了新機遇。

傳統傳輸液滴方法包括利用表面的浸潤性梯度(wetting gradient)作為推動力,把液滴從疏水的表面部分推往親水的表面。

不過,這個方法受制於液滴水動力學︰當液滴要以高速傳輸時,需要較大的浸潤性梯度,但這局限了其傳輸的距離;當要傳輸較長的距離時,則需要較小的浸潤性梯度,以降低液滴與固體表面之間的粘附力,但這又會使傳輸速度受到限制。

為克服這些挑戰,香港城大機械工程學系王鑽開教授與電子科技大學鄧旭教授、德國馬克斯—普朗克高分子研究所的Hans-Jürgen Butt教授以及中國科學技術大學的研究員進行合作,研發出一套新方法,實現了不同表面上單向和自驅動的液滴傳輸,而且速度達到曆來最高的1.1m/s,比之前文獻紀錄的最高速度高出十倍;傳輸距離亦是最長,理論上是無限制。

02實屬首創!利用表面電荷密度

這次研究成果的關鍵,在於首次引入「表面電荷密度梯度」(surface charge density gradient, SCD)的概念。

研究團隊首先用連串水滴撞擊特制的「超雙疏」(即超級疏水和超級疏油)表面,當水滴撞擊到表面時,水滴會立即分散、收縮、再從表面反彈,這導致水滴的電子分離,因而使表面變成帶有負極。

研究人員通過調控連串水滴撞擊到表面的高度,產生連續變化,使表面的電荷密度逐步轉變並形成一個梯度(gradient)。然後,當要傳送的液滴被放到表面時,表面電荷密度梯度便成為液滴的推動力,液滴隨即自動移向電荷密度較高的方向。

水向上流不是夢!實現液滴高速的長距離自驅動傳輸新策略!

液滴在帶有表面電荷密度梯度(SCD gradient)的「超雙疏」表面上,自驅動傳輸的圖示。

不同於以化學或形態原理造成的梯度,用這種新方式在表面上形成電荷密度梯度之後,能夠輕易對梯度作出更改,從而改變液滴的傳輸路徑。研究同時顯示,即使在室溫,滴液也不需借助任何外力,實現高速和極長距離的傳輸。

這種液滴傳輸方式不只局限於平坦表面,更可以在具彈性和垂直的表面進行。此外,這方法適用於不同液體的傳輸,包括表面張力低、介電常數低的液體、血液或鹽溶液。

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在特制的「超雙疏」表面上,利用表面電荷密度梯度,使液滴作弧線和極長距離的傳輸。

03打開局面發現微流控器件的潛在應用

王鑽開教授說︰“這次研究采用表面電荷密度梯度的原理來實現液滴傳輸,是之前未曾有人探索過的。我們相信這次研究成果將打開研究新方向和發現更多應用潛能。例如,在生物醫藥方面,研究人員可根據自身需要設計不同的電荷密度梯度來影響細胞遷移及其他行為。”

鄧教授亦指出,這個新方法將可應用於芯片實驗室、微流體器件、生物分析器件,以至材料科學、流體力學等范疇。

這次研究剛於最新一期的學術期刊《Nature Materials》上發表,題為“Surface charge printing for programmed droplet transport”。研究獲得國家自然科學基金委員會、香港的研究資助局、德國馬克斯—普朗克學會和歐洲研究理事會(European Research Council)的資助。

王教授、Hans-Jürgen Butt教授和鄧教授是論文的通訊作者,第一作者為電子科技大學基礎與前沿研究院博士生孫強強。

 
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