Diagrama esquemático de fabricação do PIPGF com molhabilidade programável. A) a molhabilidade ajustável do PIPGF pode ser controlada remotamente usando luz NIR. B) as vias de molhabilidade programáveis na superfície do PIPGF foram formadas por meio da integração da máscara NIR para manipulação controlada das gotas. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aat7392.
Na ciência dos materiais, a molhabilidade da superfície de um biomaterial pode ser medida usando o ângulo de contato da água da superfície como uma caracterização importante de sua hidrofilicidade ou hidrofobicidade. A técnica tem atraído atenção notável nos últimos anos para o desenvolvimento de materiais nas áreas de energia, saúde e ciências ambientais. As superfícies bioinspiradas foram projetadas com uma variedade de funcionalidades e propriedades especiais de molhabilidade para imitar a natureza.
Entre estes, superfícies porosas com infusão de líquido escorregadia (SLIPSs) superaram suas contrapartes naturais para fornecer superfícies de última geração com repelência estável e sem defeitos para uma variedade de líquidos simples e complexos. Para ampliar a aplicação de SLIPSs com molhabilidade ajustável, as superfícies adaptativas foram feitas de filme líquido suportado por um substrato elástico nanoporoso. Embora a regulação baseada em contato tenha passado por muitas dessas melhorias para permitir as superfícies escorregadias existentes, seu controle de espaço-tempo via não-contato permanece irrealizado. Além disso, superfícies escorregadias com molhabilidade programável que podem manipular gotas espaço-temporalmente para um impacto revolucionário na tecnologia de microfluídica ainda precisam ser desenvolvidas.
Agora escrevendo em Avanços da Ciência , Wang et al. apresentar um romance, filme de grafeno poroso com infusão de parafina (PIPGF) que consiste em um material de esponja de grafeno poroso infundido com parafina. O processo permitiu que a parafina fizesse a transição reversível entre as fases sólida e líquida com o efeito fototérmico do grafeno sob luz infravermelha próxima (NIR). Quando a superfície da parafina foi aquecida até derreter, gotas de água podem deslizar para baixo ao longo do filme de grafeno, e quando a parafina foi resfriada, gotas fixadas na superfície do filme. A molhabilidade da superfície e o estado da matéria de PIPGF podem ser controlados remotamente com alta estabilidade e reversibilidade rápida usando luz NIR. Os autores integraram máscaras NIR para que a parafina pudesse derreter em padrões correspondentes no PIPGF para formar caminhos programáveis para as gotas que escorregavam. O PIPGF facilitou as vias de molhabilidade programáveis para simplificar o manuseio de líquidos em microplacas, microarrays de gotículas e em microrreatores microfluídicos distintos com potencial para aplicações no diagnóstico de grupos sanguíneos. Os recursos conferiram versatilidade às plataformas fotocontroláveis PIPGF para aplicações que envolvem manipulação de gotículas.
Microestruturas e molhabilidade da superfície do filme de esponja de grafeno e do PIPGF. (A e B) as imagens SEM do filme de esponja de grafeno e (C e D) o PIPGF, (A) e (C) são superfícies topológicas, (B) e (D) são seções transversais do filme correspondente. (E) ângulos de contato com a água do filme de esponja de grafeno poroso medidos com a ativação / desativação do laser. (F) progresso da gota d'água deslizando pela superfície do PIPGF com o laser ligado (ângulo de deslizamento é de 5 graus); (G) progresso da gota d'água deslizando pela superfície do PIPGF com o laser desligado (ângulo de deslizamento é de 87 graus). (H) variação do ângulo de deslizamento da água do PIPGF em função dos números do ciclo do laser. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aat7392.
No estudo, óxido de grafeno reduzido (GO) até agora referido como grafeno, foi adicionado a um molde preparado com duas lâminas de vidro plano para criar o filme de esponja de grafeno 3-D. Ligação iônica com Ca 2+ (CaCl 2 ), seguida pela redução com ácido iodídrico (HI) e subsequente liofilização possibilitou a formação da estrutura porosa. O filme de esponja de grafeno foi investigado com microscopia eletrônica de varredura (MEV) para observar uma arquitetura semelhante a um favo de mel com áreas de superfície altamente específicas. A hidrofobicidade da superfície e a estrutura de rede porosa do filme de esponja de grafeno possibilitaram a infusão de parafina líquida derretida nos poros da esponja para construir uma superfície escorregadia. As forças capilares e a química correspondente entre a parafina líquida e as superfícies de grafeno sólido permitiram a cobertura uniforme do andaime de grafeno, apresentando rugas aparentes e revestimento uniforme de parafina no filme de esponja de grafeno.
Mobilidade da gota em uma superfície inclinada de PIPGF. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aat7392.
A transição da parafina de sólido para líquido no PIPGF poderia ser controlada remotamente com fácil operação, alta estabilidade e reversibilidade rápida usando luz NIR. A molhabilidade da superfície do PIPGF foi medida com o NIR ligado / desligado para determinar o contato e os ângulos de deslizamento das gotas de água em sua superfície. Inicialmente, o ângulo de contato da água no filme de esponja de grafeno demonstrou hidrofobicidade de superfície (~ 110 0 ); Depois disso, uma diminuição do ângulo de contato foi observada no PIPGF com NIR ligado (~ 79 0 ) e desligado (~ 102 0 ), indicating comparative surface hydrophilicity.
The sliding angle of the water droplet was only 5 0 with the laser switched on, whereas the angle increased (87 0 ) when the laser was switched off. Such NIR-controlled tunable wettability of the PIPGF provides a promising method for dynamically manipulating the mobility of droplets on a surface on demand, for tunable and reversibly repellent droplet handling technologies.
The authors integrated additional NIR masks on the PIPGF, to enable programmable wettability pathways for spatiotemporal droplet manipulation. When using NIR masks, the irradiated paraffin melted in the desired pattern to become slippery, while the unirradiated part remained rough. The ability to control the droplet guiding pathway on PIPGF surfaces for programmable spatiotemporal droplet flexibility is of significance for microfluidic technologies.
Programmed wettability pathways. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.aat7392.
To demonstrate practical applications of NIR-controlled programmable wettability pathways, the authors used PIPGF for liquid handling in microplate technology to create a greatly simplified yet accurate and reusable pipetting process. Different samples could be pipetted into wells simultaneously to conserve time.
Além disso, the PIPGF with more complex Y-shaped or Y-Y composite channels could be programmed to form distinctive microreactors for controlled droplet-based chemical merging reactions. The applications highlight the potential of PIPGF in microfluidic systems and in laboratory-on-a-chip settings. To demonstrate its potential in practice, the authors conducted a human blood grouping (ABO and Rh) diagnosis using the platform. An individual's blood type can be detected by monitoring the hemagglutination reaction between antigens and antibodies, which traditionally requires observational skills and facilities. No estudo, the authors simply monitored blood grouping after mixing with antibodies, to detect if the composite blood groups slid down the PIPGF or not. Blood drops with no hemagglutination reaction slid, whereas blood drops where agglutination occurred remained pinned to the PIPGF surface.
Manipulating droplet reactions and practical applications with blood grouping. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.aat7392.
The volume ratios of blood droplets to antibody droplets should be precisely optimized to influence the reaction time of hemagglutination. The simple detection and significant results on PIPGF microreactors may find important roles in cost-effective, clinical blood grouping applications. Photocontrollable PIPGF can form intelligent droplet microfluidic systems, with expansive features for programmable, multidisciplinary wettability applications in chemistry, materials engineering, energy and healthcare.
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