北航陈华伟教授团队《Adv. Funct. Mater.》：精准磁驱动多维度液滴

　　2022年12月26日，国际期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）在线刊登了北京航空航天大学机械工程及自动化学院陈华伟教授课题组在精准磁驱动多维度液滴操控方面取得的重要进展。

　　

　　液滴的可控操作具有运输方式多样、效率高、不易损耗等特点，在水的收集和运输、微流体和印刷等领域中起着至关重要的作用。液滴操控通常可分为被动和主动两种方式。被动方式主要是依靠表面结构和化学性质差异诱导液滴自发的运输，不需任何外部能量注入。课题组前期研究并仿生猪笼草和瓶子草的结构实现了液滴定向运输，属于被动方式。但是，此类运输模式对结构梯度的依赖性较强、且运输距离短等，限制其在不同领域的应用潜能。另外，基于光场、电场、磁场、热场等外场控制的主动运输可以实现液体的快速、长距离、实时的控制，受到关注。其中，磁场有良好的生物相容性、无交叉污染和瞬时响应性能，被认为是最有前途的液滴驱动策略之一。

　　本文制备了一种新型磁性微柱阵列(MMA)实现了液滴的多维操作，包括液滴的水平方向运输和垂直抓取/释放过程。该微柱阵列在矩形磁铁的磁场下最大弯曲角度可达55°，为液滴的操控提供了足够的驱动力。通过实时观察波峰与液滴的相对位置关系，发现了液滴水平运输的推进和滚动两种方式（图1所示），建立了对应的理论运输模型，揭示了当液滴受波形约束的推进运动时，液滴运输状态更稳定，能够使液滴在水平方向上稳定、精确地沿指定路径运输。

　　

　　图1 在强、弱磁场条件下液滴的多模式运动分析

　　在强磁场条件下，随着磁场速度的增加，液滴中心到波峰之间的距离逐渐减小，液滴由间歇性运动转化成稳定连续运动，速度越高其运动就越稳定(图2所示)，最高速度可达151 mm/s。基于理论分析得出液滴运输由低磁场速度下的推进和滚动两种模式转化为高速下的单推动模式。

　　

　　图2 不同磁场速度下液滴运动模式分析

　　液滴转移是另一常见液滴操控的形式，针对液滴脱落动态过程，揭示了微柱间液体的动态重组是导致液滴脱落的主要因素。受磁场的不均匀分布影响，每一次的摆动都引起微柱间距变化并打破原有的毛细力平衡，从而诱发接触液体的迁移，导致液滴顶点的下降(图3)。在微柱回摆过程中，局部接触液体向液滴内部回流，微柱间距的再次增大抑制了液线向上迁移，进一步降低液滴顶点，最终导致液滴整体重心的下移使液滴脱落。

　　

　　图3 液体重组诱导液滴重心下移分析

　　基于液滴在摆动过程中固-液-气三相接触线的动态变化，提出了液滴抓取/释放机理。将微柱与液滴的接触角、微柱弯曲角引入传统的粘附力公式，完善了液滴抓取理论（图4 a, b）。根据微柱摆动规律，简化了液滴释放过程并确立了摆动次数与三相接触线的关系，建立了二者之间的理论模型(图4c, d)。最后，根据抓取和释放的理论模型，在给定抓取深度下，可以快速抓取液滴并估算出这一深度下液滴释放所需的摆动次数，总结得出了不同体积液滴的最佳工作区域，实现液滴快速抓取/释放，如图4所示。

　　

　　图4 液滴抓取/释放理论模型分析

　　凭借精确快速的水平输送能力和垂直方向的抓取和释放，MMA表面可以应用于各种极端恶劣的工作条件。提出了基于MMA的简易操控平台，实现液滴不规则运输，逆重力爬升，不同液滴的筛选和简单的微化学反应等(图5所示)。

　　

　　图5 基于MMA表面的多功能运输

　　该研究制备的MMA表面即使在低磁场条件下也会发生明显的对称弯曲变形，实现了长距离、跨障碍等恶劣工况下的液滴三维操纵。进一步完善和建立了主要由波峰和液滴相对位置决定的水平输送方式，即推进方式和滚动方式。基于液滴在摆动过程的接触液体重组而引起的液-固-气三相接触线的动态变化，系统地建立了液滴抓取/释放机制。估算出在给定抓取深度下液滴释放所需的摆动次数，并提出不同体积液滴的最佳工作区域，从而实现液滴精准快速抓取/释放。最后，基于MMA建立的操作平台，验证了其在不规则路径输送、液滴稀释、筛选和化学检测等方面的可行性，在医学检测、微流体和工业生产等领域显示了巨大的应用价值。

　　北京航空航天大学机械工程及自动化学院博士生靖雪山为第一作者，陈华伟教授为论文通讯作者，北京航空航天大学为第一/通讯单位。此研究得到国家自然科学基金（Nos. 51935001, 51725501，T2121003，51905022）和国家重点研发计划（No. 2019YFB1309702）等项目资助。

　　论文信息：Xueshan Jing, Huawei Chen*, Liwen Zhang, Song Zhao, Yan Wang, Zelinlan Wang, Yu Zhou,Accurate Magneto-driven Multi-dimensional Droplet Manipulation

　　论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210883

　　来源：北航

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