A manipulação de gotas tem aplicações importantes em áreas como gerenciamento de calor, coleta de água e reações químicas. Uma equipe de pesquisa da Universidade da Cidade de Hong Kong (CityU) desenvolveu uma pinça de gotículas eletrostática multifuncional que pode "aprisionar" gotículas de líquido com precisão e guiar remotamente seu movimento em superfícies planas e inclinadas e em meios de óleo. Experimentos mostraram que a pinça pode manipular gotículas de diferentes volumes e com diferentes componentes. Tem aplicações potenciais em áreas como análises biológicas e químicas de alto rendimento.
A equipe de pesquisa é liderada pelo professor Wang Zuankai, professor titular do Departamento de Engenharia Mecânica (MNE) da CityU. Suas descobertas foram publicadas na revista acadêmica Proceedings of the National Academy of Sciences , sob o título "Pinça eletrostática para manipulação de gotículas".

As abordagens atuais para a manipulação de gotículas aproveitam principalmente o gradiente de força superficial construído nos substratos ou aplicam força externa diretamente às gotículas. Esses métodos sempre exigem que os substratos ou gotículas respondam às forças externas. Devido à natureza deformável das gotas, os métodos existentes para manipulação de líquidos enfrentam muitos desafios tecnológicos, como curta distância, baixa velocidade, condições de operação restritas e a necessidade de adicionar aditivos responsivos às gotas.

Manipulação de gotículas usando eletricidade estática

Para superar essas restrições de tecnologia, o professor Wang e sua equipe desenvolveram com sucesso uma pinça eletrostática de gotículas multifuncional que usa indução eletrostática para “atrair” e manipular remotamente gotículas líquidas de diferentes quantidades, tipos e volumes até uma distância de alguns centímetros. Em suma, a pinça pode mover as gotículas sem tocá-las diretamente.

Inspirada pela indução eletrostática de materiais sólidos, a equipe de pesquisa aplicou a indução eletrostática em um líquido para conseguir a manipulação de gotículas. A indução eletrostática refere-se à redistribuição de cargas elétricas em um condutor, causada pela influência de cargas elétricas externas. Eventualmente, a equipe desenvolveu com sucesso a tecnologia de pinça eletrostática de gotículas (DEST), eliminando a necessidade de aditivos e alcançando a manipulação programável de gotículas sem entrar em contato direto com as gotículas.

O sistema DEST consiste em duas partes:uma pinça com uma tensão externa aplicada na ponta do eletrodo e um substrato, que é eletricamente aterrado. As gotas são colocadas no substrato e, quando a pinça eletrostática é conectada à energia, as cargas elétricas das gotas e do substrato são redistribuídas devido à indução eletrostática. Isso permite que a pinça eletrostática "prenda" com precisão as gotículas e as guie para os eletrodos na ponta com uma voltagem apropriada.

"O DEST é programável", disse o professor Wang. "Nossos experimentos mostraram que o DEST pode guiar o movimento das gotículas de líquido em espaços abertos, canais fechados e até mesmo óleo. O DEST também nos permite manobrar gotículas de dezenas de nanolitros a vários mililitros, e em diferentes quantidades", disse o professor Wang.

Diferentes modos de manipulação de DEST

A pesquisa descobriu que o DEST pode alcançar diferentes modos. Por exemplo, no modo guia, a gota segue o movimento da pinça com o eletrodo na ponta. No modo de captura, a gota se move em direção à pinça estacionária com o eletrodo "ligado". Alterar o estado "ligado" ou "desligado" do eletrodo da pinça permite que a gota se mova ou permaneça na posição desejada da pinça. Quando o eletrodo de uma pinça está "desligado" mas o vizinho está "ligado", a gota se move para a pinça "ligada", conseguindo movimento direcional (vídeo 2).

No modo de captura contínua do DEST, como todos os eletrodos da pinça estão "ligados", a gota se move continuamente para a próxima pinça "ligada" (vídeo 3).

Comparado a outras tecnologias de manipulação de gotículas, o DEST alcança manipulação de gotículas precisa e programável com alta velocidade, distância ilimitada e direção de direção ágil. A tecnologia oferece uma plataforma potencial para o uso de manipulação de gotículas para reações químicas, como reações de precipitação e reações de cor. O DEST também pode ser aplicado para transportar pequenos objetos sólidos e para realizar limpeza seletiva de superfície e detecção de espectroscopia Raman aprimorada de superfície de alto rendimento.

"Nós também preparamos um substrato superhidrofóbico funcionalizado com nanopartículas de prata, de modo que quando as gotículas manipuladas se movem sobre esse substrato, elas carregam as nanopartículas de prata. Isso aumentou a sensibilidade na medição Raman devido às propriedades plasmônicas das nanopartículas de prata nas gotículas. Quando uma gota é medida e removida pela pinça eletrostática, as gotas subsequentes podem ser movidas para a posição do laser para outra medição, e os resultados da medição não interferem entre si. Outra vantagem do DEST em auxiliar a medição Raman é que ele elimina a necessidade de foco preciso do laser na gota, reduzindo assim muito o tempo de medição e obtendo detecção de informações de gota de alto rendimento", explicou o Dr. Jin Yuankai, pós-doutorando no MNE e primeiro autor do artigo.

"Nossa tecnologia aumentou a controlabilidade e ampliou os cenários de aplicação de manipulação de gotas, e simplificou o processo de aplicação. Além disso, os substratos usados ​​em nosso sistema DEST podem ser funcionalizados, melhorando seu desempenho para análises químicas e biológicas", concluiu o professor Wang em seu resultados da pesquisa. + Explorar mais

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