Multifunktionale elektrostatische Tröpfchenpinzette führt die Tröpfchenbewegung aus der Ferne

Die Tröpfchenmanipulation hat wichtige Anwendungen in Bereichen wie Wärmemanagement, Wassergewinnung und chemischen Reaktionen. Ein Forschungsteam der City University of Hong Kong (CityU) hat eine multifunktionale elektrostatische Tröpfchenpinzette entwickelt, die Flüssigkeitströpfchen präzise „einfangen“ und ihre Bewegung auf flachen und geneigten Oberflächen sowie in Ölmedien fernsteuern kann. Experimente zeigten, dass die Pinzette Tröpfchen unterschiedlicher Volumina und mit unterschiedlichen Komponenten manipulieren kann. Es hat potenzielle Anwendungen in Bereichen wie der biologischen und chemischen Hochdurchsatzanalyse.

Das Forschungsteam wird von Professor Wang Zuankai, Lehrstuhlprofessor am Department of Mechanical Engineering (MNE) der CityU, geleitet. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciencesunter dem Titel „Elektrostatische Pinzette zur Tröpfchenmanipulation“.

Die aktuellen Ansätze zur Manipulation von Tröpfchen nutzen hauptsächlich den auf den Substraten aufgebauten Oberflächenkraftgradienten oder wenden direkt eine äußere Kraft auf die Tröpfchen an. Diese Verfahren erfordern immer, dass die Substrate oder Tröpfchen auf äußere Kräfte ansprechen. Aufgrund der verformbaren Natur von Tröpfchen stehen die bestehenden Verfahren zur Flüssigkeitsmanipulation vielen technologischen Herausforderungen gegenüber, wie z. B. kurzer Abstand, niedrige Geschwindigkeit, eingeschränkte Betriebsbedingungen und die Notwendigkeit, den Tröpfchen reaktionsfähige Additive hinzuzufügen.

Manipulation von Tröpfchen mit statischer Elektrizität

Um solche technologischen Einschränkungen zu überwinden, entwickelten Professor Wang und sein Team erfolgreich eine multifunktionale elektrostatische Tröpfchenpinzette, die elektrostatische Induktion verwendet, um Flüssigkeitströpfchen unterschiedlicher Mengen, Arten und Volumina bis zu einer Entfernung von einigen Zentimetern „anzuziehen“ und fernzumanipulieren. Kurz gesagt, die Pinzette kann die Tröpfchen bewegen, ohne sie direkt zu berühren.

Inspiriert von der elektrostatischen Induktion fester Materialien wandte das Forschungsteam die elektrostatische Induktion in einer Flüssigkeit an, um eine Tröpfchenmanipulation zu erreichen. Unter elektrostatischer Induktion versteht man die Umverteilung elektrischer Ladungen in einem Leiter, verursacht durch den Einfluss äußerer elektrischer Ladungen. Schließlich entwickelte das Team erfolgreich die Droplet Electrostatic Tweezer (DEST)-Technologie, wodurch der Bedarf an Zusatzstoffen eliminiert und eine programmierbare Tröpfchenmanipulation ohne direkten Kontakt mit den Tröpfchen erreicht wurde.

Das DEST-System besteht aus zwei Teilen: einer Pinzette, an deren Elektrodenspitze eine externe Spannung angelegt wird, und einem Substrat, das elektrisch geerdet ist. Tröpfchen werden auf das Substrat aufgebracht, und wenn die elektrostatische Pinzette an die Stromversorgung angeschlossen wird, werden die elektrischen Ladungen der Tröpfchen und des Substrats aufgrund elektrostatischer Induktion neu verteilt. Dadurch kann die elektrostatische Pinzette die Tröpfchen präzise „einfangen“ und mit einer entsprechenden Spannung zu den Elektroden an der Spitze leiten.

„Das DEST ist programmierbar“, sagte Professor Wang. „Unsere Experimente haben gezeigt, dass das DEST die Bewegung der Flüssigkeitströpfchen in offenen Räumen, geschlossenen Kanälen und sogar Öl steuern kann. Das DEST ermöglicht es uns auch, Tröpfchen von mehreren zehn Nanolitern bis zu mehreren Millilitern und unterschiedlichen Mengen zu manövrieren“, sagte Professor Wang.

Verschiedene DEST-Manipulationsmodi

Die Forschung ergab, dass DEST verschiedene Modi erreichen kann. Beispielsweise folgt im Guiding-Modus der Tropfen der Bewegung der Pinzette mit der Elektrode an der Spitze. Im Trapping-Modus bewegt sich das Tröpfchen bei „eingeschalteter“ Elektrode auf die stationäre Pinzette zu. Das Ändern des „Ein“- oder „Aus“-Zustands der Elektrode der Pinzette ermöglicht es dem Tröpfchen, sich zu der gewünschten Position der Pinzette zu bewegen oder dort zu bleiben. Wenn die Elektrode einer Pinzette „aus“, aber die benachbarte „an“ ist, bewegt sich das Tröpfchen zur „an“-Pinzette und erreicht eine gerichtete Bewegung (Video 2).

Da alle Elektroden der Pinzette im kontinuierlichen Einfangmodus des DEST „an“ sind, bewegt sich das Tröpfchen kontinuierlich zur nächsten „an“-Pinzette (Video 3).

Im Vergleich zu anderen Tröpfchenmanipulationstechnologien erreicht das DEST eine präzise und programmierbare Tröpfchenmanipulation mit hoher Geschwindigkeit, unbegrenzter Entfernung und agiler Richtungssteuerung. Die Technologie bietet eine potenzielle Plattform für die Verwendung der Tröpfchenmanipulation für chemische Reaktionen, wie etwa Fällungsreaktionen und Farbreaktionen. DEST kann auch angewendet werden, um kleine feste Objekte zu transportieren und um eine selektive Oberflächenreinigung und eine oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie-Detektion mit hohem Durchsatz durchzuführen.

„Wir haben auch ein superhydrophobes Substrat hergestellt, das mit Silber-Nanopartikeln funktionalisiert ist, sodass die manipulierten Tröpfchen, wenn sie sich auf diesem Substrat bewegen, die Silber-Nanopartikel tragen. Dies erhöhte die Empfindlichkeit bei der Raman-Messung aufgrund der plasmonischen Eigenschaften der Silber-Nanopartikel in den Tröpfchen. Wenn ein Tröpfchen gemessen und von der elektrostatischen Pinzette entfernt wird, können nachfolgende Tröpfchen für eine weitere Messung zur Laserposition bewegt werden, und die Messergebnisse stören sich nicht gegenseitig.Ein weiterer Vorteil des DEST bei der Unterstützung der Raman-Messung besteht darin, dass es die Notwendigkeit einer präzisen Laserfokussierung auf das Tröpfchen, wodurch die Messzeit erheblich verkürzt und eine Tröpfcheninformationsdetektion mit hohem Durchsatz erreicht wird“, erklärte Dr. Jin Yuankai, Postdoc am MNE und Erstautor der Veröffentlichung.

„Unsere Technologie hat die Steuerbarkeit erhöht und die Anwendungsszenarien der Tröpfchenmanipulation erweitert und den Anwendungsprozess vereinfacht. Darüber hinaus können die in unserem DEST-System verwendeten Substrate funktionalisiert werden, wodurch ihre Leistung für die chemische und biologische Analyse verbessert wird“, schloss Professor Wang Studienergebnisse.