作者:宋延林等 来源:《科学—进展》 发布时间:2020/4/14 12:32:14
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新型“机器人”实现液滴多行为操纵

 

 液滴的多种行为控制(课题组供图)

近日,中国科学院化学研究所宋延林课题组在《科学—进展》上发表一项新研究成果。研究人员通过磁场控制两个钢珠,首次实现了对液滴切割、移动、释放和旋转等多种动态行为的控制。这一系统被命名为“液滴机器人”,其在化学反应自动化方面的潜力被看好。

当前,液滴控制在日常生活和工业生产中具有重要应用。从冷却降温、防结冰到微流控和水收集,都离不开对液滴行为的精确控制。然而,目前大部分研究仅能实现简单的液滴移动行为,难以满足实际应用中的复杂需求。

该论文通讯作者之一、中科院化学所李会增博士告诉《中国科学报》:“我们利用磁场控制两个钢珠对液滴进行操控。”通过调节磁场,可以改变钢珠的位置和中心距,而钢珠中心距的改变则重新分配了液滴受到的阻力,可以使液滴产生多种动态行为。

实验中,研究人员还对液滴多行为控制的机理进行了分析。他们认为,液滴移动时的阻力主要来自两个钢珠的前端三相线和后端三相线,钢珠中心距的改变导致这两部分的阻力发生了变化。

当钢珠中心距较小时,液滴前端三相线较短,粘附阻力较小,而后端三相线粘附阻力较大。此时液滴会被移动的钢珠从中间扯断,实现液滴的切割行为。当钢珠中心距较大时,前端阻力较大,钢珠无法拖动液滴,从而实现液滴的释放行为。当中心距适当时,前后方阻力相匹配,液滴能够被钢珠拖动,使液滴发生移动行为。此外,调节磁场还能转动钢珠,实现液滴的旋转行为。

除了在空气中操控水滴,研究人员还将这种方法拓展到不同体系。对钢珠进行超亲水处理之后,不仅能够在空气中操控水滴,还能够在油下操控水滴。而经过超疏水处理的钢珠,则可以在水下操控油滴和气泡。这种操控方法还可以在复杂表面和受限空间中使用,例如竖直的表面和半封闭的管道等。

研究人员指出,这种液滴操控方法可用于自动化的化学反应。同时,该方法还能收集固体颗粒、从管道中清除杂质,在临床医学领域也具有潜在应用。(来源:中国科学报 甘晓 李丹)

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/sciadv.aay5808

 
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