基于光伏效应和摩擦电效应的液滴三维路由器，可用于医疗检测

对于生物化学分析、药物检测分析等领域而言，非接触的可控液滴输运至关重要。液滴定向输运技术，通常依赖表面梯度驱动或外部刺激等方式实现。其中，基于电场的微流控技术由于具有运输速度快、响应时间短的优点而备受学界关注。然而，目前大多数液滴控制技术只能支持液滴在二维表面的面内传输，无法实现具有高可控性和高灵活性的面外输运。其主要原因在于大多数技术通过对液滴施加牵引力来驱动液滴，对基底的支撑有很强的依赖性。

对于现有的液滴面外输运技术，大多依靠强大的排斥力发射液滴。但是，受制于技术的局限性，无法实现全向输运和液滴的连续弹跳。光具有极强的调控性，利用光作为激励源能够极大地提升液滴操控技术的灵活性，从而实现液滴的各种复杂输运。

基于此，河北工业大学研究团队将掺铁铌酸锂晶体衬底与超疏水表面相结合，借此设计了一种液滴三维路由器。利用光伏效应与摩擦电效应所激发的吸引静电力或排斥静电力，课题组提出了多种液滴输运模式。并引入激光打标系统，实现了例如偏转方向/定点捕获、多液滴并联/单液滴级联、二维平面/三维自由空间等多种可编程性输运模式。

对于相关论文，审稿人表示：“作者展示了一种巧妙且有效的方法，通过结合摩擦电效应和可编程光响应材料来操控带电液滴。”通过光电效应施加排斥力去实现液滴的面外弹跳，效果非常显著。

详细来说，三维液滴路由器可以实现液滴多维全向输运，利用激光打标系统构建多个光照响应区，能够在自由空间内编程单一或多个液滴的运动轨迹，构建液滴输运的虚拟“立交桥”。借此帮助液滴跨越障碍物并引导至目的地，可以大幅提升操控效率。通过调制光束精准遥控各种溶液的微液滴，能够实现无接触的生化分析，避免与有毒有害流体直接接触，降低分析人员受到毒害风险的概率。此外，在封闭腔室内遥控液滴，可以减少目标液滴在操控过程中受到污染的几率。

总的来说，三维液滴路由器具有全向且无损的输运液滴的能力。这不仅在医疗检测和生化分析等领域具有重要意义，而且在软体机器人、防冰冻以及微流控加工制造等领域具有广阔应用场景。

日前，相关论文以“3D Multimodal, omnidirectional router of aqueous microdroplets based on the synergy of photovoltaic and triboelectric effects”为题发在Nano Energy期刊上。米宇航是第一作者，河北工业大学阎文博教授担任通讯作者。

目前，课题组正在思考如何调制光伏电场实现微液滴在自由空间内的稳定悬浮输运，控制液滴的高度和运动速度，让其如同“FlappyBird”一般精准控制液滴穿越障碍物。同时，该团队计划引入实时反馈系统，对液滴运动轨迹进行实时监测，及时调整激光扫描方案，实现微液滴的受控飞行和精准制导。此外，后续其还将研究如何调节辐照方式实现液滴不同比例和不同子液滴数量的精准分离，助力于微量生化分析技术的发展。

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109509



审核编辑：刘清