A manipulação precisa de vários líquidos é essencial em muitos campos e, ao contrário de objetos sólidos, os fluidos são intrinsecamente divisíveis. Os fluidos também são pegajosos com funções apropriadas para manipulação sem perdas para evitar perda e contaminação. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Wei Li e colegas de engenharia mecânica e pesquisa e inovação na China apresentaram microfluídica fotopiroelétrica para atender a tais requisitos diversos. A plataforma fluídica facilitou o desenvolvimento de um campo de força dieletroforético ondulado único a partir de um único feixe de luz para realizar de forma notável a desejada manipulação sem perdas de gotículas e funcionar como uma superfície "mágica" à prova de umedecimento. A plataforma líquida poderia navegar, fusível, belisque e clive fluidos sob demanda para estabelecer transportadores de carga com rodas de gota e tem potencial para aumentar a concentração máxima de produtos, como proteínas, em 4000 vezes.

Métodos existentes para fundir fluidos

A manipulação de superfícies de buffers e solventes orgânicos é fundamental para muitas aplicações biológicas e funções químicas que são críticas para uma variedade de térmicas, aplicações ópticas e médicas. Para conseguir isso, os cientistas devem projetar uma plataforma para permitir que os fluidos localmente endereçáveis ​​para navegação com uma baixa taxa de perda dividam e se fundam em um processo prontamente controlado. A luz pode superar outros estímulos devido à sua natureza sem contato, alta precisão, e controlabilidade de raio maduro em relação à óptica geométrica, por exemplo, para formar pinças ópticas que prendem e desalojam micro-objetos. Diversas abordagens exploraram, portanto, o potencial de foto-manipular líquidos, aproveitando a conversão de energia de fotoelétricos, fototérmico, propriedades fotoquímicas e fotomecânicas para navegar com precisão e fundir fluidos. No entanto, essas técnicas não podem dividir e manipular fluidos de uma maneira sem perdas. Portanto, nesse trabalho, Li et al. apresentou uma abordagem sem precedentes.

A nova abordagem

A equipe simplesmente empilhou três camadas homogêneas, incluindo um filme fototérmico usando um polímero dopado com grafeno, cristal piroelétrico usando uma pastilha de niobato de lítio, e uma superfície superomnifóbica usando uma nanoesfera de sílica. As três camadas funcionaram em conjunto para aplicações sem perdas de fluidos de ultra baixa tensão superficial na presença de um único feixe de luz.

Eles compuseram o filme fototérmico com um composto de monocamada de grafeno para detectar os estímulos de luz e as respostas geradas pela termogênese desigual. O cristal piroelétrico converteu calor em cargas elétricas extras para formar um perfil de força dieletroforética ondulada que poderia prender, dispensar e dividir os fluidos. Eles empregaram a técnica para realizar quatro funções fundamentais, incluindo movimento, fusão, distribuição e divisão de vários líquidos sob controle bem controlado, condições sem perdas sem eletrodos complicados e circuitos de alta tensão. A abordagem terá um impacto significativo em campos multidisciplinares.

Designing photopyroelectric microfluidics

Li and team used the three layers of closely sandwiched materials (the pyroelectric crystal, superomniphobic thin film and photothermal thin film) to form the platform. The top superomniphobic layer contained nanoscale fractal networks made by sintering hollow silica spheres covered with fluorinated surfactants to achieve super-repellence. In the bottom layer, they formed a uniform composite film by homogenizing graphene nanoplatelets with polydimethylsiloxane (PDMS) and cured the polymer. When a beam of near-infrared (NIR) light irradiated the surface, the translucent superomniphobic surface and pyroelectric wafer became a transparent window allowing the NIR to readily reach the underlying composite polymer film. This led to a partially uneven, localized temperature rise, giving form to extra surface free charges, allowing droplets on the superomniphobic surface to be driven forward to the irradiated spot via a dielectric force. The scientists applied the technique to a variety of liquids including organic solvents such as silicone oil, alkanes and alcohols. The platform provided a channel-free, open-space fluidic processor without the hassle of electrodes or micropatterning required for currently existing microfluidic counterparts.

Loss-free fluid interfacing, light sensitive sensing, and droplet dynamics

The superomniphobic surface was chemically resistant to corrosive acids and bases, allowing a stable cassie state to remain on the surface for chemical fluidic processing. The scientists confirmed loss-free fluid interfacing via fluorescence imaging of the omniphobic surface and compared the results with controls to show near loss-free contact with fluids on the material of interest. Li et al. thereafter noted the light-sensing capacity of the system to show the conversion of irradiated light into a sharply bulged temperature profile in the system. They then investigated the motion of a 5 microliter (µl) droplet of water placed 13 mm away from the light spot center. When they turned the laser on, the droplet was attracted to the illumination in an oscillating mode, where it initially accelerated toward the laser, then rapidly braked and reversed direction on reaching the light spot's edge. To understand the underlying physics of droplet dynamics, the team developed a numerical simulation and varied the liquid types for the calculations to show that higher the relative permittivity and surface tension, the easier for liquid motion.

The team performed a variety of fluidic functions using a single beam of laser light, where the wavy dielectrophoretic force profile could unexpectedly trap and move droplets with a volume as low as 0.001 µL. The team also handled a 200 µL puddle without loss on the platform, suited for miniaturization of biomedical systems. Contudo, the technique had its limits with a maximum laser-moving velocity beyond which the droplet could not keep up with laser movement. Adicionalmente, Li et al. facilitated a strong navigating force for droplets to defy gravity and ascend uphill by placing the platform vertically, allowing the superior technique to precisely manipulate various liquids at the micro-/nanoliter scale, which is of fundamental importance across multiple fields. Using the method, the team observed the loss-free detection of amino acids such as glycine and low-surface tension liquids such as ethanol. The method has great potential in analytical chemistry, medical diagnosis, and biomedicine.

Desta maneira, Wei Li and colleagues developed a unique wavy dielectrophoretic force field in response to light stimuli with a three-layered surface for well-controlled, loss-free liquid motion, merging, dispensing and splitting functionalities. They readily modified the force by superimposing multiple light irradiations for richer fluidic functionality and droplet patterning applications. The method will facilitate fluid maneuver on demand for applications in biochemical and fluidic processing reactions, fluidic engineering and manufacturing for precision patterning and for droplet multi-compartmentalization.

© 2020 Science X Network