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俗話說，“人往高處走，水往低處流”。如今，水也能往高處“走”了。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所杜學(xué)敏團(tuán)隊聯(lián)合香港城市大學(xué)王鉆開團(tuán)隊，研發(fā)了一種通過光照就能產(chǎn)生電，并進(jìn)一步精準(zhǔn)控制液體的潤滑表面(LICS)。該研究在凝血檢測、原位細(xì)胞刺激與細(xì)胞響應(yīng)監(jiān)測等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展示了廣泛的應(yīng)用潛力。

7月9日，相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

光照生電實現(xiàn)液體精準(zhǔn)操控

在自然界中，豬籠草有著光滑的葉子表面，其內(nèi)壁會分泌一層潤滑物，由于籠身長期處于傾斜和豎直狀態(tài)，當(dāng)獵物靠近時會滑落至籠中，淪為豬籠草的盤中餐。

在豬籠草潤滑的葉子表面上，水滴受到重力往下流。那么，能否在潤滑表面做到水滴往上走呢?

“覆蓋在固體表面的潤滑層，往往會屏蔽掉表面的結(jié)構(gòu)與功能特性，如表面結(jié)構(gòu)梯度或電荷梯度等，使得通過表面梯度或外場操控液體變得困難，極大影響了潤滑表面的液滴操控效果及其實際應(yīng)用。”杜學(xué)敏表示。

針對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊構(gòu)建了一種新型的智能高分子材料潤滑表面，它由三種核心元素組成，分別是具有優(yōu)異光熱效應(yīng)的液態(tài)金屬顆粒、具有獨(dú)特鐵電效應(yīng)的聚偏氟乙烯-三氟乙烯聚合物，這兩者協(xié)同能將光熱轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻骐姾桑坝糜阪i住潤滑層的微錐陣列結(jié)構(gòu)。

通過智能高分子材料的光熱誘導(dǎo)表面產(chǎn)生電荷，該材料能實現(xiàn)液滴高速、長距離、反重力、簡單液體到復(fù)雜液體、單個到多個液滴、微觀到宏觀尺度液滴、平面到曲面基底、開放到封閉體系的精準(zhǔn)操控。

簡單來說，就是用光照精準(zhǔn)控制在LICS上的液滴的運(yùn)動。那么，要實現(xiàn)液滴的精準(zhǔn)控制，對光的強(qiáng)度和液滴的重量是否有要求呢?

“LICS對液滴的重量是有要求的，因為不同重量的液滴帶來的阻力是不一樣的，但我們可以通過調(diào)整光的強(qiáng)度來拉拽不同重量的液滴。我們針對小至1納升、大到1.5毫升的水滴都進(jìn)行了精準(zhǔn)操控。”杜學(xué)敏表示。

實現(xiàn)液體的精準(zhǔn)控制得益于LICS優(yōu)異的表面電荷再生能力，LICS在0.5秒的近紅外光輻照下，可產(chǎn)生表面電荷密度高達(dá)1280 皮庫每平方毫米(pC/mm2)，有效消除了潤滑層對表面特性的屏蔽，為液滴快速響應(yīng)、運(yùn)動提供大的作用力;而且電荷再生性能在持續(xù)10000次近紅外光開/關(guān)循環(huán)或浸泡在硅油中長達(dá)6個月均無明顯衰減，這一穩(wěn)定的電荷再生性能確保了LICS用于液滴操控的長期有效性。

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用潛力大

微流控技術(shù)因其精準(zhǔn)與高通量的樣本處理和加速生化反應(yīng)能力，被廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)的檢測技術(shù)，微流控技術(shù)把樣品反應(yīng)、制備、分離、檢測等生化實驗的基本操作集成到很小的芯片上。然而，傳統(tǒng)的微流控系統(tǒng)既需要復(fù)雜的管道連接，又需要大型的設(shè)備提供動力來操控液體。

在該研究中，基于LICS的柔性與共形特性，研究人員將LICS封裝成密閉的微流控芯片，利用手持激光筆即可實現(xiàn)LICS芯片內(nèi)的液滴快速、精準(zhǔn)穿越芯片通道。此外，LICS芯片內(nèi)的無接觸、遠(yuǎn)程光驅(qū)動液滴功能，既能防液滴揮發(fā)，又無需在液滴中添加輔助液滴運(yùn)動的物質(zhì)，避免了交叉污染，在凝血檢測等生物應(yīng)用方面展現(xiàn)出優(yōu)異的可靠性。

此外，研究人員利用LICS實時光熱誘導(dǎo)表面電荷產(chǎn)生功能特性，還成功實現(xiàn)了LICS芯片內(nèi)的細(xì)胞實時刺激，及細(xì)胞響應(yīng)原位監(jiān)測。

“LICS既實現(xiàn)了開發(fā)體系下液滴的高效操控，又實現(xiàn)了密閉的微流控芯片內(nèi)液滴的無泵、遠(yuǎn)程、防揮發(fā)、防污染操控和生物應(yīng)用，為新型界面材料和微流體的開發(fā)帶來新思路，展現(xiàn)了化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛在應(yīng)用價值。”杜學(xué)敏表示。

未來，研究團(tuán)隊將進(jìn)一步優(yōu)化基于這類智能高分子材料表面液滴光操控的精準(zhǔn)性與普適性，同時拓展這類智能高分子材料和LICS微流控芯片在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

此次杜學(xué)敏、王鉆開為論文共同通訊作者，深圳先進(jìn)院博士后王芳、劉美金為論文共同第一作者。中國科技大學(xué)與南京大學(xué)多位老師為該工作提供了幫助。(記者 袁斯茹)

標(biāo)簽： 水往高處走 科學(xué)新發(fā)現(xiàn) 光照生電 液體精準(zhǔn)操控 科學(xué)進(jìn)展