Cientistas conseguem fabricação a laser de femtosegundo de robôs de origami Janus com resposta magnética
Ilustração do esquema e demonstração do robô JO. um esquema do robô JO. A superfície superior é superhidrofóbica com baixa adesão de gotículas e a superfície inferior é hidrofóbica com alta adesão de gotículas. Com a ajuda da força capilar, o robô JO pode envolver gotas de água e transportá-las direcionalmente por meio de rotação controlada magneticamente. b As imagens correspondentes de queda direcional, envolvimento de gotículas e transporte direcional de gotículas pelo robô JO. c–f Manipulação versátil de gotículas baseada no robô JO. c O robô JO permite a distribuição de gotas filhas sob campo magnético e força capilar. d A gota embrulhada pode ser liberada pelo robô JO apertando e empurrando. e O robô JO pode agitar gotículas sob a ação do campo magnético rotativo e também pode realizar agitação fototérmica por irradiação de laser NIR. Todas as barras de escala têm 2 mm. Crédito:Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41092-1 A manipulação versátil de gotículas em diferentes escalas é uma promessa significativa em vários campos, particularmente em química de precisão e diagnóstico biomédico. Do ponto de vista prático, técnicas eficazes de manipulação de gotículas necessitam de integração multifuncional e aplicabilidade em várias escalas.
A excitação magnética ganhou ampla adoção no campo da manipulação de gotículas devido às suas vantagens, como controlabilidade remota, biocompatibilidade, insensibilidade a fatores ambientais como carga de substrato e excelente transparência. No entanto, expandir as capacidades de manipulação de gotículas com resposta magnética e estender as diversas funcionalidades de escalas de microlitros para nanolitros permanecem desafios formidáveis.
Em resposta a este desafio, o Professor Hu Yanlei e a sua equipa de investigação do Laboratório de Micro/Nano Engenharia da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências (CAS), em colaboração com outros investigadores, desenvolveram um Robô de origami Janus acionado magneticamente usando técnicas de nanofabricação a laser de femtosegundo.
Este robô permite a integração eficaz de diversas funcionalidades de manipulação de gotículas, incluindo transporte tridimensional de gotículas, fusão, divisão, distribuição precisa e liberação sob demanda de gotículas filhas, bem como agitação e aquecimento remoto. Embrulho e transporte de gotículas pelo robô JO. Crédito:Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41092-1 Além disso, esta estratégia de manipulação apresenta estabilidade notável e permite a manipulação de gotículas abrangendo volumes de aproximadamente 3,2 nanolitros a cerca de 51,14 microlitros. Os resultados desta pesquisa, intitulada "Robô magnético de origami Janus para omni-manipulação de gotículas em escala cruzada", foram publicados na Nature Communications. .
As superfícies superior e inferior do robô de origami Janus de duas camadas com resposta magnética exibem propriedades de umedecimento distintas. A superfície superior do robô está em estado superhidrofóbico com baixa adesão de gotículas, enquanto a superfície inferior é hidrofóbica com alta adesão de gotículas.
Simultaneamente, dois vincos são projetados na superfície superior do robô para facilitar o envolvimento espontâneo de gotículas sob forças capilares no momento do contato. O perfil geral, os vincos e as estruturas micro/nanofuncionais de superfície do robô são fabricados e modificados por meio de varredura a laser de femtosegundo.
Impulsionado por um campo magnético, o robô se aproxima e encapsula ativamente as gotas de água rolando, permitindo o transporte controlado das gotas. Além disso, o robô de origami Janus de dupla camada com resposta magnética pode distribuir gotículas filhas de gotículas maiores por meio de rolamento e dobramento direcionados. Transporte tridimensional de gotas. Crédito:Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41092-1 Ao controlar a intensidade do campo magnético, as gotículas filhas distribuídas podem ser expelidas do robô. Aproveitando seu exterior superhidrofóbico especialmente projetado, o robô empurra suavemente as gotas para liberação e separação controladas. O robô também pode girar sob a influência do campo magnético, conseguindo uma mistura controlada de líquidos e, em combinação com suas propriedades fototérmicas, permitindo o aquecimento remoto.
Os robôs de origami Janus com resposta magnética foram desenvolvidos para permitir a manipulação versátil de gotas em escala cruzada, oferecendo recursos semelhantes aos agitadores magnéticos comerciais. Além da rápida mistura de água, esses robôs exibem a capacidade de misturar efetivamente líquidos de alta viscosidade, como o glicerol, por meio de suas funções de aquecimento e agitação, atingindo temperaturas superiores a 80°C.
Com base em suas diversas capacidades de manipulação de gotículas, os robôs de origami Janus com resposta magnética integram perfeitamente várias funcionalidades de manuseio de gotículas para atingir objetivos de manipulação contínua de gotículas. Por exemplo, os robôs aproximam-se autonomamente das gotículas de água através de movimentos de rolamento, dispensam volumes específicos de gotículas filhas, transportam essas gotículas filhas dispensadas para se fundirem com outras gotículas e, finalmente, facilitam a mistura rápida de gotículas de diferentes componentes através da agitação. Esta integração multifuncional de manipulação de gotículas se estende perfeitamente à escala de nanolitros.
Numa demonstração de prova de conceito, os robôs, após modificações na superfície, realizaram com sucesso a extração e purificação de ácidos nucleicos.
Em resumo, os robôs de origami Janus com resposta magnética permitem a manipulação de gotículas em escala cruzada, com implicações significativas para a entrega precisa de reagentes, padronização de microgotículas e reações rápidas de microgotículas em diversos campos, como engenharia química fina, diagnóstico médico e tecnologias microfluídicas.
Mais informações: Shaojun Jiang et al, Robô magnético de origami Janus para omnimanipulação de gotículas em escala cruzada, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41092-1 Informações do diário: Comunicações da Natureza
Fornecido pela Universidade de Ciência e Tecnologia da China
