发布日期： 2024-04-23 18:54:14 来源：新产品展示
高粘度流体（如油漆、颜料和聚合物）的分割、量化及移取渗透在日常生活的方方面面。前驱体溶液的合理定量及分配不仅决定了聚合物固化后的强度与性能（如PDMS等），还会影响美术馆中每幅油画的成败。一幅成功的画作往往取决于作家对于笔尖上颜料多少的感知，其考验的是画家的经验而非定量的科学。与低粘度的水溶液不同，高粘度的大分子链相互缠绕，难以分离。尽管移液枪或胶头滴管等商业化的定量装置已被大范围的使用在移取各种牛顿液体，但它们仍无法定量高粘度的大分子液体（100 mPa × s），较弱的吸取力无法分割相互缠结的大分子链。此外，聚合物流体的粘弹性使其始终粘附在设备的管壁上，而不是如水溶液一般丝滑落下，大大影响了高粘度液体的精确定量和移液。至关重要的是，由于残留物的存在，设备的清洁和维护成为一个必不可少的过程，浪费了量时间和资源。
为此，北京航空航天大学衡利苹教授团队设计了一种超透明的光热释电超润滑（PS）平台。在太阳光的辅助下，仅需横截面积确定的冷源，即可以一种非接触的方式分割并定量PS平台上的各类流体（图1）, 甚至实现了环氧树脂（15000 mPa × s）的非接触移取（图2）。其中，为了确定底部冷源与平台表面液滴的相对位置关系，以提高分裂的准确性和可操作性（高达83.5%）。利用界面自组装形成的超薄MXene光热层，克服了光热转换性能（ D T30 ° C）和透明度（70%）之间的矛盾。因此，经过精准的分裂，移取，分配及混合后，环氧树脂和固化剂的合理配比使固化后的胶粘剂，实现了两倍于商用移取器操作后的剪切强度。相信这项新技术有望带来更大的商业经济价值，以填补滴管或移液枪的市场空缺。该工作以“Noncontact Microfluidics of Highly Viscous Liquids for Accurate Self-Splitting and Pipetting”为题发表在《Advanced Materials》，韩霄博士与谭胜达硕士为共同一作。
首先，为了制备具有三明治结构（超润滑层、光热转换层及热释电层）的高透明PS平台（图3），作者在透明热释电材料（铌酸锂）的下方设计了一层高透明的MXene光热转换层。通常来讲，光热转换性能与其透明性之间始终是一种不可调和的矛盾：透光的材料往往意味着对波长的透过而非吸收。为此，利用液液界面自组装的方式，能轻松实现二维Ti3C2Tx纳米片的单层自组状，其厚度仅有3 nm。超薄的厚度在保证其透明性的同时，连通的二维纳米片又提高了其的光热转换性能。在某些特定的程度上，既保证了PS平台的光热释电性能，又能保证其透明性以提高切割精准率。
通过COMSOL对温差释电后的PS平台做模拟与力学推导，发现在冷源的边缘处，形成了两个相对的静电力。其中一个吸引液滴朝向冷区移动，而另外一个则朝向热区移动，二者恰好以冷源边界为分割线。因此，通过将边界明确的冷源附着在PS平台底部，就可以实现各类流体的非接触分裂与定量，且定量的体积只与冷源的横截面积相关（图5），改变冷源的区域即可定量不同大小的液滴体积。当冷源提供的温差足够大时，更强的静电力还可以分割高粘的环氧树脂（其粘度高达15000 mPa × s），且定量的精准率能达到83.5%。
与商用的移液枪相比，非接触切割策略下的PS平台不仅能实现低粘牛顿流体的精准定量，也能轻松实现高粘聚合物流体的精准定量（图6-7）。因此，将商用的环氧树脂AB胶（10000 mPa × s）进行精准的切割、移取、分配（1：1）及混合固化后，哑铃状样条的剪切强度能达到6 MPa，是传统定量混合策略的两倍以上。其在材料加工，胶粘固化，封装成型等领域具备比较好的商业化前景。
小结：作者开发了一种新型的非接触液体切割策略，利用高度透明且能光热释电的超润滑平台，能够以无污染的方式精确地非接触式分离和定量各种液体。覆盖有超薄MXene薄膜（光热层，厚度小于20 nm）的PS平台，只需在太阳光和冷源的帮助下，就可以实现粘度高达15000 mPa × s的液体的精确定量。从有机试剂到水溶液，从小液滴到大液滴，从低粘度到高粘度的液体，只要更换不同截面积的冷源就可以对各种液体进行定量，弥补了滴管和移液器的不足。通过与程序驱动相结合，被非接触切割后的环氧树脂AB胶显示出6 MPa的高剪切强度，是传统移取分配策略的两倍。相信这种新一代的PS平台具有广阔的市场空间和实际应用价值。
团队介绍：衡利苹教授致力于智能响应界面及仿生粘附性调控的研究，在前期研究工作的基础上（J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 6420; Adv. Mater., 2024, 2311729; Adv. Funct. Mater., 2022, 22, 2207738.），通过构筑智能高分子复合界面实现对流体运动的调控，并把该类智能界面应用到微流控芯片及自检试剂盒中，实现微型界面反应，化学传感和水的净化等。
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