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準時接收每日精彩內容推播。液體具有流動、溶解、變形和相分離能力，廣泛套用於制造各種功能裝置。然而，由於需要預先設計固體圍壁，基於液體的裝置制造可能成本高昂且缺乏可重構性。近日，來自 東南大學的顧忠澤、杜鑫教授團隊進行了基於液體積木可重構液體器件的相關研究 。研究成果以 「Reconfigurable liquid devices from liquid building blocks」 為題於01月05日發表在 【Nature Chemical Engineering】 上。
本文開發了一種透過組裝和拆卸不同型別的液體滴珠（類似於玩具積木）來生成和操縱功能性液體裝置的新策略。此外，本研究進一步揭示了其內在機制。具有不同成分和幾何形狀的多相液體裝置可以在柱狀支撐基底上快速構建和重構，從而能夠自由構建液體結構並精確編程液體-液體界面。展示了在流體裝置、微型反應器及其組合中的套用。
1. 液體生成裝置及其元件
圖1 液體積木概念演示
實作液體積木的第一步是建立和固定液體單元。本文打印了一個柱狀基底，用於捕獲液體單元。將10μl的水滴滴入在矽油中孵化的柱狀基底，水滴被周圍四根柱子截留，形成穩定的液體單元。透過不斷向柱狀基底中添加水滴，形成更多水單元，並最終連線成一個結構化的水通道。水通道的形成在很大程度上取決於基底材料的表面能。本文模擬了水通道中的薄水層（三個相連的水單元），以探索多單元液體結構生成過程。與單水單元相比，由於一些水油界面的結合（損失），水通道兩端水單元承受了指向中心單元的額外壓力。因此，兩端的水單元傾向於流向中心單元。當水從末端單元流向中心單元時，中心單元的LP（Δp2）將小於末端單元的LP（Δp1），從而引發相連單元逆變，打破已形成的通道。相比之下，在稍疏水柱狀基質中，會阻止連線單元進一步收縮，從而穩定水通道。此外，研究人員還研究了不同形狀的柱子（三角形、菱形、正方形、五邊形和六邊形）。結果顯示只有菱形支柱效能與圓形支柱相似。對於其他形狀的支柱，在添加水滴或連線水單元時經常出現收縮。因此，在該系統中，基底材料的表面能、液體體積和柱狀基底的幾何形狀共同決定液體單元的生成及其組合。透過這種方式，可以在幾分鐘內構建出具有多樣化幾何形狀、組成和精心設計的液體-液體界面排列的2D和3D液體裝置。
2. 流體液體裝置
圖2 流體液體裝置
在推拉式註射泵幫助下，柱狀基底中連線的液體單元可作為流體通道。使用示蹤粒子對通道中流場進行視覺化，表明通道中液體是單向流動的。為證明柱子之間彎曲水油界面的重要性，研究人員測試了直線通道和彎曲通道所能承受的最大流速。結果表明，通道的最大流速至少為200毫升/小時。泵送時，親水-疏水圖案入口和出口處水滴分別膨脹和收縮，阻礙水流從入口流向出口，導致溶液泄漏，從而破壞通道。利用柱狀基底，當水油界面膨脹時，LP的變化遵循公式(1)，從而導致入口處LP升高，出口處LP降低。柱狀基底中的流體通道在高泵送速率下獲得更高穩定性。利用液體積木策略優勢，可透過靈活的手動流程構建相對簡單的流體結構，復雜幾何形狀的流體結構則可透過客製的點膠機在幾分鐘內自動建立。所有多樣化的流體結構都是在相同設計的柱狀基底上構建的，從而實作流體在不同幾何形狀下的連續定向傳輸。當柱狀基底的尺寸按比例放大或縮小時，也能產生不同尺度的流體通道，說明在不同支柱半徑下形成流體通道的可行性。 以上結果證實了液體積木策略在構建和最佳化電子效能方面的能力，以及在構建多組分電池和微反應器方面的潛力。
3. 多相液體裝置
圖3 多相液體裝置
除水之外，還可以使用其他型別液體來建立液體單元。將不同表面張力的液體添加到柱狀基底中，發現其效能與液體在基底材料上的接觸角有很大關系，液體單元的幾何形狀由接觸角決定，而液油界面的膨脹速度則受表面張力影響。因此，穩定液體單元的產生通常取決於適當的液體接觸角。引入液態金屬（LM）可賦予裝置導電性，而全疏性液體可用作功能液體，生成液體壁，以較小的接觸角阻止液體擴散，從而允許使用多種有機溶劑。當相鄰的液體單元不相溶時，在它們的邊界會自動形成液-液界面。 利用液體工具箱，可以快速組裝出具有多個布局合理液-液界面的液體裝置。 此外，全液體裝置可作為可充電無膜微型電池使用。本文策略非常靈活，可以很容易構建出具有各種幾何設計或不同電解質成分的全液電池，以調節和最佳化電子效能。與其他無膜電池設計相比，本策略能夠在幾分鐘內快速構建多組分電池，並透過原位工程液體單元組裝模式方便最佳化電池效能。這種多相液體裝置還可以作為級聯化學反應的微反應器。液體構件的多個界面可作為不相容試劑的隔間，從而使一鍋合成成為可能。利用液體構築模組策略，可以繞過使用皮庫林乳液或脂膜穩定多個液-液界面的復雜過程，並且可以精確控制不同相的位置及其界面。以上數據表明本策略能夠構建用於多步合成的復雜微反應器。
4. 可重構液體裝置
圖4 可重構液體裝置
目前對液體裝置的需求已從簡單驅動液體透過預定路徑，發展到切換裝置配置，處理整合在一個裝置上的多種功能即時決策和需求。最先進的可重構液體裝置一般利用預先設計通道中的眾多閥門、刺激響應型水凝膠和電潤濕技術。但裝置昂貴、操作復雜和液體殘留汙染等實質性問題，制約可重構液體裝置的普及和發展。受玩具積木重新配置功能啟發，利用本策略構建的液體裝置可透過快速連線、切割和移除液體單元，實作所需的重新配置，而無需擔心成本、時間和經驗問題。液體構件的可重構特性可在幾分鐘內完成液體結構的連線、切割和交替，這種特性可將多個費力的實驗步驟（如交替反應和洗滌）整合到一個裝置中。如在液體積木式裝置上進行ELISA分析，高效、經濟、方便，可用於床旁檢測。如圖4d所示，人IL-4蛋白ELISA的八個步驟在帶有圖示流體通道的液態積木式芯片上完成的。切斷流體通道後，形成的微反應器可支持第2、4、6和8步的反應，避免了流體通道、註射泵及其連線部件中殘留的昂貴試劑。當微反應器與周圍的流體通道相連時，費力的清洗步驟1、3、5、7可透過與主通道入口/出口相連的推拉式註射泵進行，從而實作自發清洗。此外，所構建的芯片是一個開放式裝置，可以隨時在芯片的任何區域取樣，不會受到氣泡幹擾，在基於流體芯片的常見檢測方法中是無法實作的。
5. 總結與展望
總之，受玩具積木啟發，本文提出了液體積木策略，用於快速構建和原位重構液體裝置。本文展示了復雜而穩定的液體裝置，包括流體裝置和多相裝置，可在幾分鐘內透過直接組裝和拆卸眾多液體單元來制造和重新配置；展示了具有不同幾何形狀、各種液體成分和精心設計液-液界面排列的二維和三維液體裝置。透過該策略，實作對液體的空間操縱和編程。進一步套用於流體芯片和微反應器。然而，在目前階段，本裝置仍具有一些局限性。三維流體通道需要進一步最佳化基底結構，以提高執行穩定性，尤其是在高流速條件下。更復雜的化學反應涉及與周圍環境強烈的能量交換，有待在系統中進行探索。本文的液體積木策略指明了一條新的液體操縱之路，值得進一步最佳化和深入研究。
