基于智能高分子材料開發(fā)了一種通過光照就能產(chǎn)生電

常言道：“人往高處走，水往低處流”。那么，水往高處走的畫面你見過嗎？

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所杜學(xué)敏團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港城市大學(xué)王鉆開團(tuán)隊(duì)，基于智能高分子材料開發(fā)了一種通過光照就能產(chǎn)生電，并進(jìn)一步精準(zhǔn)操控液滴的的潤(rùn)滑表面（light-induced charged slippery surface，LICS）。

這種新型潤(rùn)滑表面在凝血檢測(cè)、原位細(xì)胞刺激與細(xì)胞響應(yīng)監(jiān)測(cè)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展示了廣泛的應(yīng)用潛力。相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊。

杜學(xué)敏、王鉆開為論文共同通訊作者，深圳先進(jìn)院博士后王芳、劉美金為論文共同第一作者。中國(guó)科技大學(xué)與南京大學(xué)多位老師為該工作提供了幫助。

光照生電，實(shí)現(xiàn)液滴精準(zhǔn)操控

在自然界中，豬籠草有著光滑的葉子表面，其內(nèi)壁會(huì)分泌一層潤(rùn)滑物，由于籠身長(zhǎng)期處于傾斜和豎直狀態(tài)，當(dāng)獵物靠近時(shí)會(huì)滑落至籠中，淪為豬籠草的盤中餐。

在豬籠草潤(rùn)滑的葉子表面上，水滴受到重力往下流。那么，能否在潤(rùn)滑表面做到水滴往上走呢？

“覆蓋在固體表面的潤(rùn)滑層，往往會(huì)屏蔽掉固體表面的結(jié)構(gòu)與功能特性，如表面結(jié)構(gòu)梯度或電荷梯度等，使得通過表面梯度或外場(chǎng)操控液滴變得困難，極大影響了潤(rùn)滑表面的液滴操控效果及其實(shí)際應(yīng)用?！倍艑W(xué)敏表示。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種新型的智能高分子材料潤(rùn)滑表面（LICS），它由三種核心元素組成，分別是具有優(yōu)異光熱效應(yīng)的液態(tài)金屬顆粒、具有獨(dú)特鐵電效應(yīng)的聚偏氟乙烯-三氟乙烯聚合物及用于鎖住潤(rùn)滑層的微錐陣列結(jié)構(gòu)。

通過光照誘導(dǎo)表面產(chǎn)生電荷，LICS能實(shí)現(xiàn)液滴高速、長(zhǎng)距離、反重力、單個(gè)到多個(gè)液滴、微觀到宏觀尺度液滴、平面到曲面基底、開放到封閉體系的精準(zhǔn)操控。

LICS表面光控液滴往上走（左圖）和普通潤(rùn)滑表面液滴往低處走（右圖）

單束光同時(shí)操控3顆液滴定向精準(zhǔn)融合

光操控液滴折疊水凝膠花朵

那么，要實(shí)現(xiàn)液滴的精準(zhǔn)操控，對(duì)光的強(qiáng)度和液滴的重量是否有要求呢？

“LICS對(duì)液滴的重量是有要求的，因?yàn)椴煌亓康囊旱螏淼淖枇κ遣灰粯拥模覀兛梢酝ㄟ^調(diào)整光的強(qiáng)度來拉拽不同重量的液滴。我們針對(duì)小至1納升，大到1.5毫升的水滴都進(jìn)行了精準(zhǔn)操控。”杜學(xué)敏表示。

光操控1納升液滴（上）和1.5毫升液滴（下）運(yùn)動(dòng)對(duì)比圖

實(shí)現(xiàn)液滴的精準(zhǔn)操控得益于LICS優(yōu)異的表面電荷再生能力，LICS在近紅外光下輻照0.5秒，可產(chǎn)生密度高達(dá)1280皮庫(kù)每平方毫米（pC/mm2）的表面電荷，有效消除了潤(rùn)滑層對(duì)表面特性的屏蔽，為液滴快速響應(yīng)、運(yùn)動(dòng)提供大的作用力；而且電荷再生性能在持續(xù)10000次近紅外光開/關(guān)循環(huán)或浸泡在硅油中長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月均無明顯衰減，這一穩(wěn)定的電荷再生性能確保了LICS用于液滴操控的長(zhǎng)期有效性。

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用潛力大

微流控技術(shù)因其精準(zhǔn)與高通量的樣本處理和加速生化反應(yīng)的能力，被廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)，微流控技術(shù)把樣品反應(yīng)、制備、分離、檢測(cè)等生化實(shí)驗(yàn)的基本操作集成到很小的芯片上。然而，傳統(tǒng)的微流控系統(tǒng)既需要復(fù)雜的通道連接，又需要大型的設(shè)備提供動(dòng)力來操控液體。

在該研究中，基于LICS的柔性與共形特性，研究人員基于LICS制作了微流控芯片，利用手持激光筆即可實(shí)現(xiàn)LICS芯片內(nèi)的液滴快速、精準(zhǔn)穿越芯片通道。此外，LICS芯片內(nèi)的無接觸、遠(yuǎn)程光驅(qū)動(dòng)液滴功能，既能防液滴揮發(fā)，又無需在液滴中添加輔助液滴運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)，避免了交叉污染，在凝血檢測(cè)等生物應(yīng)用方面展現(xiàn)出優(yōu)異的可靠性。

此外，研究人員利用LICS實(shí)時(shí)光誘導(dǎo)表面電荷產(chǎn)生的特性，還成功實(shí)現(xiàn)了LICS芯片內(nèi)的原位細(xì)胞實(shí)時(shí)刺激及細(xì)胞響應(yīng)監(jiān)測(cè)。

“LICS既實(shí)現(xiàn)了開放體系下液滴的高效操控，又實(shí)現(xiàn)了封閉微流控芯片內(nèi)液滴的無泵、遠(yuǎn)程、防揮發(fā)、防污染操控和生物應(yīng)用，為新型界面材料和微流控體系的開發(fā)帶來新思路，展現(xiàn)了化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛在應(yīng)用價(jià)值?！倍艑W(xué)敏表示。

未來，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化基于這類智能高分子材料表面液滴光操控的精準(zhǔn)性與普適性，同時(shí)拓展這類智能高分子材料和LICS微流控芯片在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

LICS微流控芯片

光操控LICS微流控芯片內(nèi)液滴穿越迷宮

論文鏈接： https://doi.org/10.1126/sciadv.abp9369

審核編輯 ：李倩