中科大团队打造摩擦静电镊，提出新型液滴操控技术，可用于操作细胞液体和太空实验

近日，中国科学技术大学雍佳乐副研究员和团队，在电场的帮助之下，以及基于液体灌注的超滑表面，让摩擦静电镊能在不同条件下操控液滴。

图 | 雍佳乐（来源：雍佳乐）

这项技术有望应用于微流控系统之中，以用于操控流体的运动方向等。也能用于操作包含细胞的液体，以用于实现细胞工程的操作。

在太空实验室中，本技术也可用于操控液滴或其他微小物体，助力于太空实验的开展。

（来源：International Journal of Extreme Manufacturing）

液滴：一种并不陌生的存在

事实上，液滴对于我们来说并不陌生，它是人类生活中最常见的物体之一。

当你不小心将牛奶和饮料洒在桌面上，就要及时擦拭掉，以免形成污渍。这其实就是一种简单的液滴操作过程。

在基础研究和实际应用中，液滴操控技术发挥着重要作用，并已被广泛用于热管理、生物检测、数字微流控、化学反应、水雾收集、打印技术等领域。

在常规的液滴操作技术中，通过利用移液枪、玻璃棒、注射器针头等工具来释放液滴和移动液滴。这种操作技术是一种接触式操作方式，即让操作工具与液滴进行直接接触。

但是，直接接触液滴容易对液滴造成污染。同时，由于液滴的粘附和残留，采取接触式的操作方式也容易导致液滴体积的损失，并影响操作精度。

因此，在一些要求更高的应用场景中，往往需要使用非接触式液滴操作技术，即不让操作工具直接接触液滴的远程操作方法。

此前，为了以非接触的方式液滴操控，人们开始使用一些基于磁场和基于光辐射的方法。

然而，对于磁场和光场来说，它们无法直接对液滴施加力的作用。

而且，这些手段通常需要向基底材料中加入响应性掺入物，并通过改变所制备操作平台的微观形貌、或改变其他物理化学性质，来间接地驱使液滴发生运动。

而这些间接的操作方式，会受限于操作平台特殊的物质组成和微观形貌，因而导致应用场景难以得到推广。

众所周知，摩擦静电可以吸引头发和碎纸屑等小物体。那么，静电能不能吸引液滴呢？

答案是肯定的，研究人员发现静电可以直接对液滴施加静电力。

但是，为了操作或移动液滴，仅仅对液滴施加作用力是不够的。

对于操作平台来说，它必须对液滴具有很低的粘附性，以免液滴紧紧粘附在固体表面上以至于无法被移动。

为了实现这一目的，人们首先想到的是利用超疏水表面作为操作平台。

原因在于：超疏水表面像荷叶一样，具有优异的排斥水特性，水滴在这类表面上可以轻易地滚动，并且不会发生粘附。

通过结合静电作用和超疏水平台，人们已经实现了液滴的非接触操控。

然而，由于超疏水表面的一些局限性，导致在某些特殊场景之下，即便是静电操控液滴的方法也无能为力。

对于超疏水表面来说，尽管它对于液滴有着极低的粘附性，但是这种性质也导致在失重空间、或需要操作平台竖立/翻转的时候，很容易让液滴脱离操作平台。

举例来说，对于在空间站的科学家或宇航员来说，由于液滴失重会脱离超疏水操作平台，因此无法利用静电作用来操作液滴。

另外，尽管超疏水表面具有优异的排斥水性，但是当遇到表面能较低的有机液体的时候，超疏水表面很容易被润湿。

因此，对于超疏水平台来说，它并不适合用于实现有机液滴的操作。

（来源： International Journal of Extreme Manufacturing ）

以猪笼草为启发，制备液体灌注超滑表面

针对上述局限，雍佳乐等人想到了仿猪笼草表面的液体灌注超滑表面。

当在这类表面的多孔结构中填充润滑液，就能在表面形成一层薄薄的润滑液层，从而能够抵抗液体的粘附。同时，在这种超滑表面上，液滴也很容易滑动。

在平行于表面方向上，这种超滑表面对于液滴具有极低的粘附性，而在垂直于表面方向上对于液滴则有很大的束缚力。

也就是说，在这类超滑表面上，液滴很容易进行滑动。而且不论表面处于竖直状态还是处于翻转状态，液滴都不会掉下来。

基于这一性质，能够确保液滴始终贴在表面上移动。而且，由于独特的抗液原理，这种表面可以排斥各种液体，包括表面能较低的有机液体。

基于此，课题组提出了通过结合摩擦静电镊和超滑表面来实现液滴操控的构想。

另据悉，对于超滑表面来说，它的制备过程如下：通过飞秒激光在聚二甲基硅氧烷材料表面上制备多孔微纳结构，然后通过灌注硅油即可完成制备。

基于摩擦静电的吸引作用，他们发现在所制备的超滑表面上，可以很容易地操作液滴。

尤其是当把超滑表面垂直放置或翻转过来时，悬挂在超滑表面上的液滴也能被很好地移动。

而且，这种超滑表面能够排斥各种液体。在静电作用的帮助之下，甚至可以操控表面张力低至 22.3mN/m 的酒精液滴。

在某些特定需求之下，相比在超疏水平台上操控液滴，使用摩擦静电在超滑平台上操控液滴更加具备优势。

（来源：International Journal of Extreme Manufacturing）

用摩擦电打造“静电镊子”

定下本次课题之后，雍佳乐等人验证了上述想法的可行性。

然后利用飞秒激光微加工技术，制备出所需要的超滑表面。这时，他们将液滴释放在超滑表面上，利用摩擦静电棒逐渐靠近液体。

当距离小到一定范围之内后，其发现液滴会滑向静电棒。这说明本次想法具备一定的可行性，即静电棒能够对液滴施加吸引力，从而让液滴在超滑表面上滑动。

接下来，他们系统研究了影响液滴操控的各种因素，并逐渐掌握了操控液滴移动的关键技术。

与此同时，还在不同条件之下，探索了针对不同液体的操作过程。

借此发现：即便超滑平台垂直放置或翻转放置，针对悬挂在表面上的液滴，静电镊也能对其进行操作，完全不用担心液滴会掉下来。

即使是具有腐蚀性的强酸液滴、强碱液滴和浓盐溶液液滴，也能被很好地移动。

而对于有机液滴，甚至表面张力低至 22.3mN/m 的酒精液滴，也能在超滑平台上进行一定程度的移动。

相比之下，上述功能无法在超疏水操作平台上加以实现。

与在超疏水表面上操作液滴加以对比之后，课题组也发现：使用摩擦静电在超滑表面上操作液滴，有着独特的优势。

通过模拟仿真软件，其又分析了摩擦静电操控液滴的物理机制。

结果发现：在摩擦带电棒的周围空间中，会产生静电场。受到静电场的影响，液滴内部的正负电荷会重新分布。

非均匀分布的电荷，会让液滴受到静电力的作用，因而可以被静电棒移动。

为了更精确地控制静电棒的高度和位置，他们将摩擦静电镊安装在三维机械平移台上。

并在机械系统的帮助之下，来移动摩擦静电镊的位置，从而针对液滴实现更精准的移动或操控。

此外，他们还探索了一些基于摩擦静电镊的应用场景，初步实现了表面除雾、表面清洁、运动开关、液体分拣、细胞染色、液滴微反应、液滴运动引导等一系列液体相关应用。

日前，相关论文以《结合摩擦静电镊和飞秒激光制备的超滑表面的多功能液滴操控技术》（Triboelectric “electrostatic tweezers” for manipulating droplets on lubricated slippery surfaces prepared by femtosecond laser processing）为题发在 International Journal of Extreme Manufacturing（IF 16.1）。

雍佳乐副研究员是第一作者，雍佳乐和中国科学技术大学汪超炜副研究员担任共同通讯作者[1]， 该研究也得到了吴东教授的悉心指导。

图 | 相关论文（来源：International Journal of Extreme Manufacturing）

事实上，大约在 2017 年左右，领域内已经出现利用摩擦静电操控液滴的思路。

当时，雍佳乐安排一名硕士生去尝试他的想法，后来学生反馈实验结果不太好。

于是，雍佳乐也就暂时搁置了这一想法。如今，当他自己亲自再做静电操控液滴的实验，却发现效果这么好、操作这么灵活。

“内心确实有很大的遗憾，因为本来是有机会提前几年做出成果的。而在过去几年里，国内外的其它课题组，也已经开发了含静电镊技术在内的多种基于静电实现液滴操控的方法。”雍佳乐说。

不过，正所谓“好饭不怕晚”，他和团队本次也实现了更佳的结果。

后续，雍佳乐会更加系统性地研究静电操控液滴的技术。包括研究不同基底材料对于操作效果的影响、研究液滴大小和种类对于操作过程的影响，以使本技术能够被用于更多的应用场景。

另外，他也将进一步地探索本技术的实际应用，比如将其用于控制微流控系统中的液体运动、制备数字微流控系统等。

参考资料：

1.Yong, J., Li, X., Hu, Y., Peng, Y., Cheng, Z., Xu, T., ... & Wu, D. (2024). Triboelectric ‘electrostatic tweezers’ for manipulating droplets on lubricated slippery surfaces prepared by femtosecond laser processing.International Journal of Extreme Manufacturing, 6(3), 035002.

运营/排版：何晨龙

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