基于智能高分子材料開發了一種通過光照就能產生電

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？

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院深圳先進技術研究院生物醫學與健康工程研究所杜學敏團隊聯合香港城市大學王鉆開團隊，基于智能高分子材料開發了一種通過光照就能產生電，并進一步精準操控液滴的的潤滑表面（light-induced charged slippery surface，LICS）。

這種新型潤滑表面在凝血檢測、原位細胞刺激與細胞響應監測等生物醫學領域展示了廣泛的應用潛力。相關成果發表于《科學進展》（Science Advances）期刊。

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

光照生電，實現液滴精準操控

在自然界中，豬籠草有著光滑的葉子表面，其內壁會分泌一層潤滑物，由于籠身長期處于傾斜和豎直狀態，當獵物靠近時會滑落至籠中，淪為豬籠草的盤中餐。

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

“覆蓋在固體表面的潤滑層，往往會屏蔽掉固體表面的結構與功能特性，如表面結構梯度或電荷梯度等，使得通過表面梯度或外場操控液滴變得困難，極大影響了潤滑表面的液滴操控效果及其實際應用?！倍艑W敏表示。

針對這一挑戰，研究團隊構建了一種新型的智能高分子材料潤滑表面（LICS），它由三種核心元素組成，分別是具有優異光熱效應的液態金屬顆粒、具有獨特鐵電效應的聚偏氟乙烯-三氟乙烯聚合物及用于鎖住潤滑層的微錐陣列結構。

通過光照誘導表面產生電荷，LICS能實現液滴高速、長距離、反重力、單個到多個液滴、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操控。

LICS表面光控液滴往上走（左圖）和普通潤滑表面液滴往低處走（右圖）

單束光同時操控3顆液滴定向精準融合

光操控液滴折疊水凝膠花朵

那么，要實現液滴的精準操控，對光的強度和液滴的重量是否有要求呢？

“LICS對液滴的重量是有要求的，因為不同重量的液滴帶來的阻力是不一樣的，但我們可以通過調整光的強度來拉拽不同重量的液滴。我們針對小至1納升，大到1.5毫升的水滴都進行了精準操控?！倍艑W敏表示。

光操控1納升液滴（上）和1.5毫升液滴（下）運動對比圖

實現液滴的精準操控得益于LICS優異的表面電荷再生能力，LICS在近紅外光下輻照0.5秒，可產生密度高達1280皮庫每平方毫米（pC/mm2）的表面電荷，有效消除了潤滑層對表面特性的屏蔽，為液滴快速響應、運動提供大的作用力；而且電荷再生性能在持續10000次近紅外光開/關循環或浸泡在硅油中長達6個月均無明顯衰減，這一穩定的電荷再生性能確保了LICS用于液滴操控的長期有效性。

生物醫學領域應用潛力大

微流控技術因其精準與高通量的樣本處理和加速生化反應的能力，被廣泛應用于生物、化學和醫學研究領域。相比于傳統的檢測技術，微流控技術把樣品反應、制備、分離、檢測等生化實驗的基本操作集成到很小的芯片上。然而，傳統的微流控系統既需要復雜的通道連接，又需要大型的設備提供動力來操控液體。

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現LICS芯片內的液滴快速、精準穿越芯片通道。此外，LICS芯片內的無接觸、遠程光驅動液滴功能，既能防液滴揮發，又無需在液滴中添加輔助液滴運動的物質，避免了交叉污染，在凝血檢測等生物應用方面展現出優異的可靠性。

此外，研究人員利用LICS實時光誘導表面電荷產生的特性，還成功實現了LICS芯片內的原位細胞實時刺激及細胞響應監測。

“LICS既實現了開放體系下液滴的高效操控，又實現了封閉微流控芯片內液滴的無泵、遠程、防揮發、防污染操控和生物應用，為新型界面材料和微流控體系的開發帶來新思路，展現了化學和生物醫學應用的潛在應用價值?！倍艑W敏表示。

未來，研究團隊將進一步優化基于這類智能高分子材料表面液滴光操控的精準性與普適性，同時拓展這類智能高分子材料和LICS微流控芯片在生物醫學領域的應用。

LICS微流控芯片

光操控LICS微流控芯片內液滴穿越迷宮

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

審核編輯 ：李倩