In einer Studie veröffentlicht In Gerät hat eine neue selbstbetriebene elektrostatische Pinzette vorgestellt, die eine überlegene Ansammlung und Abstimmung triboelektrischer Ladungen bietet und damit beispiellose Flexibilität und Anpassungsfähigkeit bei der Handhabung von Objekten in verschiedenen Arbeitsszenarien ermöglicht. Das Forschungsteam wurde von Dr. Du Xuemin vom Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften geleitet.
Die Fähigkeit, Objekte mit physischen Pinzetten zu manipulieren, ist in Bereichen wie Physik, Chemie und Biologie von entscheidender Bedeutung. Herkömmliche Pinzetten erfordern jedoch häufig komplexe Elektrodenanordnungen und externe Stromquellen, verfügen nur über begrenzte Ladungserzeugungskapazitäten oder erzeugen unerwünschte Temperaturanstiege.
Die neu vorgeschlagene selbstbetriebene elektrostatische Pinzette (SET) verfügt über eine selbstbetriebene Elektrode (SE) auf Basis von Polyvinylidenfluoridtrifluorethylen (P(VDF-TrFE)), die durch den triboelektrischen Effekt eine große und abstimmbare Oberflächenladungsdichte erzeugt, sowie über ein dielektrisches Substrat, das sowohl als Tribo-Gegenmaterial als auch als Stützplattform fungiert, und eine glatte Oberfläche, um Widerstand und Biofouling während der Objektmanipulation zu verringern.
Dank seines neuartigen Designs kann das SET schnell eine triboelektrische Ladungsdichte von bis zu ~40 nC cm-2 in Sekunden erzeugen, während das SE entlang des Tribogegensubstrats gleitet. Seine robuste Fähigkeit zur Erzeugung triboelektrischer Ladung zeigte selbst nach 1.000 Hin- und Her-Gleitzyklen eine bemerkenswerte Stabilität, und die angesammelte hohe Ladungsdichte auf dem SE blieb bei Raumtemperatur und einer relativen Luftfeuchtigkeit von bis zu 50 % über fünf Stunden lang stabil.
„Die Innovation des SET liegt im rationalen Design der auf P(VDF-TrFE) basierenden, selbstbetriebenen Elektrode (SE) mit der einzigartigen Fähigkeit der schnellen Ansammlung und einfachen Abstimmbarkeit der triboelektrischen Ladungen während der gleitenden Triboelektrifizierung, wodurch eine robuste Antriebskraft auf das Zielobjekt ausgeübt wird“, sagte Dr. Du.
Die Forscher zeigten, dass das SET die präzise Manipulation von Objekten aus unterschiedlichen Materialien, darunter Blasen, feste Kugeln und Flüssigkeitströpfchen, mit einer überragend hohen Geschwindigkeit von 353 mm s-1 ermöglicht. Insbesondere ist das SET an offene bis geschlossene Plattformen, einzelne bis mehrere Objekte und zweidimensionale bis dreidimensionale Oberflächen anpassbar, wodurch sich seine Anwendungsmöglichkeiten auf Tröpfchenspaltung, Tröpfchenverschmelzung, Tröpfchenroboter, Zellmontage und pumpenfreie Mikrofluidik erweitern.
Da keine komplexen Elektrodenanordnungen, keine externen Stromquellen und keine Wärmeentwicklung mehr erforderlich sind, hat das SET das Potenzial, die Pinzetten- und Mikrofluidiktechnik der nächsten Technologiegeneration zu revolutionieren.
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Cong Liu et al., Selbstangetriebene elektrostatische Pinzette zur adaptiven Objektmanipulation, Gerät (2024). DOI: 10.1016/j.device.2024.100465