1. 發明了磁場控制的可程序化操控液滴的“機器人”。液滴操縱在很多領域都有重要應用。例如，在傳熱研究中，增加液滴在固體表面的停留時間，可以加快物體的冷卻速率；在防結冰研究中，如何快速移除表面液滴是重點研究內容之一；而在微流控技術中，如何快速有效地控制液滴產生及抑制融合是該技術的一個關鍵問題。近年來，控制液滴行為的方法得到了極大發展。研究人員根據不同的控制原理，發展出了各種各樣的液滴控制方法，包括：1）通過傳熱調節液滴內部馬蘭戈尼流動或者在液滴下方產生氣流，從而實現熱驅動；然而，這些方法都難以實現除液滴移動外的其它復雜行為操縱，也就是說無法實現液滴的多行為操縱。如何利用簡單方法實現液滴的復雜多行為操縱一直都是液滴控制研究領域的難點之一。近日, 中國科學院化學研究所宋延林研究員團隊提出了“液滴操縱機器人”的概念，在磁場的驅動下，首次實現了液滴的移動、切割、釋放和旋轉等復雜運動行為，拓寬了液體操縱的行為方式，在微流控、組合化學等領域具有廣泛應用前景。他們利用磁場控制兩個不銹鋼小球，然后基于這兩個鋼球的行為對液滴進行操縱。研究發現：1）當鋼球的中心距合適（5 mm）時，液滴可以在兩個鋼球的拖動下進行移動；2）當鋼球的中心距過小（2 mm）時，鋼球的移動無法帶動液滴運動，但在鋼球之間能夠殘留小液滴，實現液滴的切割；3）當鋼球的中心距過大 （10 mm）時，鋼球的移動也無法拖動液滴，且沒有液滴的殘留，從而釋放液滴。此外，還可利用磁場控制鋼球在液滴內部轉動，實現液體的攪拌。研究發現，鋼球中心間距、液滴體積能夠對液滴的操縱行為產生顯著影響，如下圖所示。液滴的切割行為只發生在中心間距較小的情況。增加液滴體積和中心間距，會使液滴行為從移動轉化為釋放。這是因為兩個鋼球將液滴周圍的三相接觸線分為了前后兩部分，液滴移動的阻力也主要來源于這兩部分三相線與基底之間的粘附力。當鋼球中心距較小時，前端三相線受到的粘附力小，后端三相線的受到粘附力較大。鋼球移動只能拖動前端三相線，使液滴發生切割行為。增大中心距會使前端三相線變長，所對應的粘附力也會變大，后端三相線變短，從而粘附力會變小。適當調控它們的相對大小，就可以實現液滴的移動和釋放行為。除了操縱水滴之外，作者還將這種方法拓展到了油滴和氣泡等多種流體。這種方法不僅能夠在空氣中操縱液滴，還能夠在水下操縱油滴，在油下操縱水滴，在水下操縱氣泡。這極大拓展了該方法的應用范圍。通過調節鋼球的尺寸，這種液體操縱方法還能對不同體積的液體進行操縱。作者展示了使用直徑500微米的小球對9微升的液滴進行移動、切割、釋放和旋轉。而且液滴的多行為操縱還能在多種的基底上實現，例如塑料管、玻璃片和傾斜硅片等。這種液滴操縱方法在很多領域都具有潛在應用。例如在液滴的微反應方面，傳統的液滴操縱方法只能進行液滴的移動，應用范圍受到很大的限制。而在該研究中，作者實現了酸堿中和反應。他們將氫氧化鈉液滴，酸堿指示劑液滴和鹽酸液滴放在基底上。先用鋼球從氫氧化鈉液滴中切割出一個小液滴移動到酸堿指示劑中，攪拌之后液滴變為粉紅色。隨后又從鹽酸液滴中切割一個小液滴移動到酸堿指示劑中，攪拌混合后，氫氧根離子與氫離子中和，液滴又恢復了無色。除此之外，作者還展示了這種方法在臨床醫學方面 (如在管道中搬運膽固醇) 的潛在應用。作者通過磁場調控設計了一種能夠實現液滴多種復雜行為操縱的機器人,能夠在多種液體中操縱多種流體的運動，例如空氣中操縱水滴、水下操縱油滴、油下操縱水滴和水下操縱氣泡。該技術在化學分析和生物醫學等領域都具有廣泛的應用前景。A. Li, H. Li, Z. Li, Z. Zhao, K. Li, M. Li, Y. Song,Programmable droplet manipulation by a magnetic-actuated robot. Sci. Adv. 6,eaay5808 (2020).https://advances.sciencemag.org/content/6/7/eaay5808
