基于電子驅(qū)動的人工纖毛的主動超表面

纖毛泵入，是生物有機體在微尺度上控制和操縱液體的一種強有力的策略。然而，盡管近年來在光學、磁和電驅(qū)動驅(qū)動方面取得了許多進展，但具有應用潛力的工程化纖毛平臺的開發(fā)，仍然難以實現(xiàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，來自美國康奈爾大學的研究人員開發(fā)了基于電子驅(qū)動的人工纖毛的主動超表面，可以在液體表面附近創(chuàng)建任意的流動模式。相關(guān)論文以題為“Cilia metasurfaces for electronically programmable microfluidic manipulation”發(fā)表在Nature上。

纖毛泵送是微觀世界中最重要、最普遍的流體輸送方法之一，一些開創(chuàng)性的研究，已經(jīng)展示了基于壓力、光、靜電和磁相互作用的驅(qū)動制造人工纖毛的方法，然而，這些系統(tǒng)有嚴重的局限性，使其在微尺度上實施起來很有挑戰(zhàn)性。此外，目前還沒有明確的方法，將它們與移動微型機集成，同時保持局部驅(qū)動。靜電驅(qū)動纖毛，已被證明是一種強大的快速泵送和混合的方法。然而，到目前為止所演示的驅(qū)動器都是由大電壓驅(qū)動的。這種巨大的電壓，使得它們與用于無線控制的互補金屬氧化物半導體（CMOS）電子器件不兼容。此外，因為在大約1.2V以上的電壓下會水解，所以靜電驅(qū)動纖毛不能在水溶液中工作。

近年來，磁響應材料制造人工纖毛的研究成為了新的關(guān)注焦點，目前相關(guān)研究已經(jīng)取得了一定成果。然而，在這種磁性系統(tǒng)中，很難定位驅(qū)動或改變纖毛的原位磁化來重新配置流動。因此，為了廣泛采用這種傳輸方法，仍然需要開發(fā)新型人工纖毛平臺。

康奈爾大學研究人員開發(fā)的表面電化學致動器，可以用來克服以上這些挑戰(zhàn)。具體來看，研究人員開發(fā)的人工纖毛由一個大約50μm長，5μm寬，約10nm薄的光刻制造的條組成，附著在基板的一端，如圖1a所示。人工纖毛在磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）中將其相對于Ag/AgCl參比電極的電位提高到約1V，從而觸發(fā)暴露鉑表面的電化學氧化，同時避免了氣泡的形成。

而氧化使Pt表面膨脹，導致致動器彎曲（圖1a，紅色反應途徑，左→右）。接著，研究人員施加電壓還原Pt膜，使驅(qū)動器恢復到初始狀態(tài)（圖1a，藍色反應途徑，右→左），其電流密度約為1mA/cm2，這意味著一個完全被人工纖毛覆蓋的1cm × 1cm器件在掃描速率為1V/s時僅消耗約1mW的功率。

為了防止致動器扭曲，研究人員沿每根纖毛設(shè)計了三個水平聚合物襯墊，每根纖毛之間間隔15μm。由于表面電化學執(zhí)行器可以光刻制造，一個4英寸的晶圓上可以制造數(shù)百萬個。在圖1b的右下角為纖毛橫切面的環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像。

圖1 基于表面電化學執(zhí)行器的人工纖毛

此外，研究人員開發(fā)的電壓驅(qū)動纖毛，在1伏特的驅(qū)動電壓下，可以產(chǎn)生非交互運動以每秒幾十微米的速度驅(qū)動表面流動，且可以局部創(chuàng)建一系列元素流幾何形狀，其纖毛超表面可以產(chǎn)生和切換任何所需的表面流動模式。

最后，研究人員將纖毛與光動力互補金屬氧化物半導體（CMOS）時鐘電路集成，以演示無線操作。作為概念證明，研究人員使用該電路輸出具有不同相位延遲的電壓脈沖，以證明使用元時波提高泵浦效率。這些強大的結(jié)果，通過實驗和理論計算得到了證實，說明其有實現(xiàn)精細尺度微流體操縱的潛力。

圖2 由纖毛單元產(chǎn)生的基本流動模式

圖3 纖毛超表面能夠產(chǎn)生任意和可切換的微流體流

圖4 集成人工纖毛陣列的CMOS無線控制產(chǎn)生的元時波

綜上所述，研究人員提出的實驗和模擬，預測了其開發(fā)的人工纖毛平臺在水介質(zhì)中實現(xiàn)無束縛控制和任意切換微流體操作的良好前景。例如，集成傳感器的光學驅(qū)動CMOS電路，可以用來測量周圍流體的化學、光學和熱狀態(tài)，以便選擇合適的微流體操作，因此具有在簡單的陽光照射下，使流體在輕型設(shè)備中的大量應用的潛能。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04645-w

審核編輯 ：李倩