可隔空控制液滴移動的多功能靜電「小鉗子」

液滴操控對於熱管理、集水、生物分析、化學反應等方面，均有重要的應用。來自香港城市大學（香港城大）的研究團隊早前研發出多功能液滴靜電「小鉗子」，可於平坦和傾斜表面以及油介質中，遠端操控液滴的移動，實驗證明能在各種基底上操控成分和體積不同的液滴，有潛力應用於如高通量生物或化學分析等範疇。

該研究團隊由香港城大機械工程學系（MNE）王鑽開教授領導，研究結果已發表於科學期刊《美國國家科學院院刊》(PNAS) 上，題為〈Electrostatic tweezer for droplet manipulation〉。

液滴的操控現時一般是通過在基底的表面構建出力梯度（force gradient），或直接在液滴上施加外力，但這些做法都需要基底或者液滴能夠對外在力場作出反應。加上液滴可變形等種種因素，令現今的液滴操控技術面對距離短、低速、受限於操作環境、要加入添加劑等技術問題。

利用靜電操控液滴

王教授的研究團隊針對上述的技術問題，成功研發出可以對液滴產生靜電誘導的多功能液滴靜電「小鉗子」（droplet electrostatic tweezer, DEST），以靜電吸引力操控不同數量、類型、體積的液滴移動，並可以在相隔數厘米、不直接接觸液滴的情況下，隔空搬動它。

研究團隊受固體材料會出現的靜電感應（electrostatic induction，即是在外電場的作用下，導體中的電荷在導體中重新分佈）現象所啟發，嘗試將液體中的靜電感應，應用於液滴的操控上。結果團隊成功研發出的DEST技術，在無需使用任何添加劑，並在不用接觸到液滴的情況下，以可編程的方式操控液滴的移動。

研究人員向鉗尖施加具靜電壓的電壓，配合導電接地（electrically grounded）的基底一同使用。靜電鉗子通電後，在基底上的液滴以及基底本身的電荷會因為靜電感應而重新分佈，靜電鉗子因此可以精確地「捕獲」液滴，並在適當的電壓下，引領液滴朝向電極移動。

王教授介紹說：「DEST是可編程的，實驗證明可以在開放的表面和封閉的通道內、甚至在油介質之中，操控體積由幾十納升到幾毫升不等和數量不同的液滴。」

研究發現，DEST可以做到不同的操控模式。例如在引導模式下，研究人員透過移動鉗子及電極，從而引導液滴的移動；在捕獲模式下，研究人員則可通過改變施加在定點電極上的電壓，把液滴吸引到施加了電壓的指定電極位置和停留。而當液滴所在位置電壓被關閉和相鄰電極電壓被打開時，液滴會繼續移動到相鄰電極的位置，從而實現了液滴的定向定點移動（視頻二）。而於連續捕獲模式下，由於所有定點電極都被施加了電壓，液滴會受下一個電極「吸引」而連續通過多個電極（視頻三）。

對比起其他液滴操控技術，團隊研發的DEST能夠高速、位置精確地操控液滴的移動，而且移動距離無限制、方向靈活。技術的應用層面包括操控液滴進行化學反應如沉澱反應和顏色反應、小型固體物件的運載、選擇性的表面清潔，以及高通量表面增強拉曼光譜檢測（high-throughput surface enhanced Raman spectroscopy detection）。

論文的第一作者、MNE的博士後靳袁凱博士解釋說：「我們亦製備出具銀納米顆粒功能化的超疏水基底，這樣被操控的液滴在移動時，就會攜帶具有等離子體激元特性的銀納米顆粒，在拉曼檢測中的信號就會增強。而當液滴完成測量並被靜電鉗子移走後，後續的液滴可以被移動到激光的位置進行測量，而且測量結果互不干擾。這方法的另一個優點是拉曼激光可以對焦在液滴的任何位置，因此大幅度縮短了測量時間，實現了高通量液滴信息檢測。」

王教授總結團隊的研究結果說：「我們的技術令操控液滴的可控程度，以及可應用的場景增加，同時簡化了技術應用時的程序。而且DEST系統所用的基底加以功能化之後，可以提升化學及生物分析的功能。」

王教授是該論文的通訊作者，第一作者是靳博士和徐王淮博士。研究團隊來自香港城大的成員還包括MNE的張歡歡博士、孫靜博士、楊思艷和劉閔婕博士。其他研究人員則來自中國科學院微電子研究所。

研究獲得香港城大、國家自然科學基金委員會、香港研究資助局、深圳市科技創新委員會的資助而進行。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2022/03/24/multi-functional-electrostatic-droplet-tweezer-remotely-guides-droplet-motion