7月25日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì)在自供能靜電鑷及物體操控方面取得重要研究進(jìn)展，相關(guān)成果以“Self-powered electrostatic tweezers for adaptive object manipulation”為題，發(fā)表在Cell Press旗下旗艦期刊Device上。該靜電鑷基于聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))基電極摩擦過(guò)程中的電荷累積和動(dòng)態(tài)調(diào)控能力，為氣、液、固等多種材質(zhì)物體的精準(zhǔn)操控提供了前所未有的靈活性和適應(yīng)性，且適用于從開(kāi)放到封閉的操控體系、單個(gè)到多個(gè)物體、二維到三維的操控表面，并廣泛應(yīng)用于液滴機(jī)器人、細(xì)胞組裝和無(wú)泵微流控等領(lǐng)域。
光鑷、電場(chǎng)操控等技術(shù)因能通過(guò)物理場(chǎng)以非接觸的方式操控微粒、液滴和生物樣品，在化學(xué)反應(yīng)、微納機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。特別是電潤(rùn)濕和靜電鑷等電場(chǎng)操控技術(shù)，因能產(chǎn)生強(qiáng)大可調(diào)的電場(chǎng)并實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨的物體操控而備受關(guān)注。然而，這類(lèi)電場(chǎng)操控技術(shù)通常需要復(fù)雜的電極陣列預(yù)先設(shè)計(jì)和外接電源，因此在實(shí)際應(yīng)用中面臨靈活性低和適應(yīng)性差的挑戰(zhàn)。
為解決物體操控靈活性和適應(yīng)性的問(wèn)題，杜學(xué)敏研究團(tuán)隊(duì)基于前期光誘導(dǎo)帶電表面材料及液滴操控的研究基礎(chǔ)上（Science Advances, 2022, 8(27), eabp9369; National Science Review, 2023, 10(1), nwac164; Nanoscale, 2024, 16, 8820），成功設(shè)計(jì)出了無(wú)需復(fù)雜電極陣列和外部電源的摩擦發(fā)電供能的靜電鑷（Self-powered electrostatic tweezer, SET）。該SET由表面設(shè)計(jì)有微結(jié)構(gòu)的P(VDF-TrFE)基自供能電極（Self-powered electrode，SE）、摩擦對(duì)介電襯底（Tribo-counter substrate）和潤(rùn)滑表面（Slippery surface）三部分組成。
值得指出的是，P(VDF-TrFE)基電極具有優(yōu)越的壓電、摩擦電能力和獨(dú)特的電荷累積功能，能通過(guò)調(diào)節(jié)電極和介電襯底表面間作用力以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)其表面電荷密度，可產(chǎn)生高達(dá)~40 nC cm-2的電荷密度，且該摩擦電能力經(jīng)過(guò)逾千次摩擦循環(huán)仍能穩(wěn)定保持。由于自供能電極具有強(qiáng)大的摩擦電荷累積和調(diào)節(jié)能力，故能產(chǎn)生實(shí)時(shí)可調(diào)的強(qiáng)大靜電力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣泡、固體顆粒、各類(lèi)液滴等不同材質(zhì)物體的精準(zhǔn)操控，最高液滴操控速度高達(dá)~353 mm s-1。
SET不僅適用于包括PMMA、石英和氧化鋁陶瓷在內(nèi)的多種電介質(zhì)襯底材料，而且適用于P(VDF-TrFE)和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等多種潤(rùn)滑層設(shè)計(jì)，同時(shí)還適用于開(kāi)放到封閉體系、手持到機(jī)械操控系統(tǒng)、單個(gè)物體到多個(gè)物體，以及二維到三維路徑的精準(zhǔn)操控。SET的高度靈活性和適應(yīng)性可廣泛應(yīng)用于液滴分裂、液滴機(jī)器人、無(wú)泵微流控和細(xì)胞組裝等領(lǐng)域。SET有望為非接觸物體操控和微流體領(lǐng)域帶來(lái)全新的技術(shù)。
圖1 SET操控原理、設(shè)計(jì)制備及摩擦電性能
圖2 SET實(shí)現(xiàn)高度靈活性與適應(yīng)性操控 中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學(xué)敏研究員(第九批會(huì)員)為該文章的通訊作者，博士研究生劉聰為第一作者。該文章獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、廣東省重點(diǎn)、深圳市杰青和深圳市醫(yī)學(xué)研究基金等科技項(xiàng)目支持。 原文鏈接
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