Pinzas de gotas electrostáticas multifuncionales

Pinzas de gotas electrostáticas multifuncionales


La manipulación de gotas tiene aplicaciones importantes en áreas como la captación de agua, la gestión térmica y las reacciones químicas.

Pinzas de gotas electrostáticas multifuncionales para el movimiento controlado a distancia de gotas.
El DEST puede mover gotas con un volumen de decenas de nanolitros a varios mililitros y mover gotas en una matriz. Crédito de la imagen: Jin Yuankai et al./ Número DOI: 10.1073/pnas.2105459119.

El equipo de investigación de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) ha desarrollado pinzas de gotas electrostáticas multifuncionales capaces de «capturar» con precisión gotas de líquido y controlar de forma remota su movimiento en superficies inclinadas y planas y en medios aceitosos.

Los experimentos demostraron que las pinzas pueden controlar gotas de diferentes volúmenes y con diferentes componentes. Tiene aplicaciones potenciales en áreas como el análisis químico y biológico de alto rendimiento.

El grupo de investigación está dirigido por el profesor Wang Zuankai, profesor titular del Departamento de Ingeniería Mecánica (MNE) de CityU. Sus resultados fueron publicados en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Los métodos existentes para dirigir las gotas utilizan principalmente el gradiente de fuerza superficial acumulado en los sustratos o aplican una fuerza externa directamente a las gotas. Estos enfoques siempre requieren que las gotas o sustratos sean susceptibles a fuerzas externas.

Debido a la naturaleza deformable de las gotas, los enfoques actuales para la manipulación de líquidos superan una serie de desafíos tecnológicos, como condiciones operativas restringidas, baja velocidad, corta distancia y la necesidad de incorporar aditivos reactivos en las gotas.

Manipulación de gotas con electricidad estática

Para superar las limitaciones tecnológicas anteriores, el profesor Wang y su equipo han desarrollado una pinza de gotas electrostáticas multifuncional que utiliza la inducción electrostática para «atraer» y controlar de forma remota gotas de líquido de diferentes tipos, cantidades y volúmenes hasta unos pocos centímetros de distancia. En resumen, las pinzas pueden mover las gotas sin tocarlas directamente.

Inspirándose en la inducción electrostática de materiales sólidos, los investigadores aplicaron la inducción electrostática en un líquido para realizar la manipulación de gotas. La inducción electrostática describe la redistribución de cargas eléctricas en un conductor, provocada por el efecto de cargas eléctricas externas.

Finalmente, el equipo desarrolló de manera efectiva la tecnología de pinzas electrostáticas de gotas (DEST), que eliminó la necesidad de aditivos y realizó una manipulación de gotas programable sin tocarlas directamente.

El sistema DEST consta de dos partes: un par de pinzas, con un voltaje externo aplicado a la punta del electrodo y un sustrato conectado a tierra eléctricamente. Las gotas se colocan sobre el sustrato y cuando las pinzas electrostáticas se conectan a una fuente de alimentación, las cargas eléctricas de las gotas y el sustrato se redistribuyen debido a la inducción electrostática. Esto permite que las pinzas electrostáticas «capturen» con precisión las gotas y las dirijan a los electrodos en la punta con un voltaje adecuado.

El DEST es programable. Nuestros experimentos demostraron que el DEST puede controlar el movimiento de las gotas de líquido en espacios abiertos, canales cerrados e incluso aceite. El DEST también nos permite manipular gotas desde decenas de nanolitros hasta varios mililitros y en cantidades variables.

Wang Zuankai, Director de Estudios y Catedrático, Facultad de Ingeniería Mecánica, CityU

Varios modos de manipulación DEST

El estudio encontró que DEST puede ejecutar diferentes modos. Por ejemplo, en el modo de guía, la gota sigue el movimiento de las pinzas con el electrodo en su punta. En el modo de captura, la gota se mueve en la dirección de las pinzas estacionarias cuando el electrodo está «encendido».

La modificación del estado «encendido» o «apagado» del electrodo de las pinzas permite que la gota se mueva o permanezca en la posición preferida de las pinzas. Cuando el electrodo de una pinza está «apagado» pero el electrodo adyacente está «encendido», la gota migra a las pinzas «encendidas» y realiza un movimiento direccional.

En el modo de captura continua de DEST, dado que todos los electrodos de las pinzas están «encendidos», la gota se mueve continuamente a la siguiente pinza «encendida».

A diferencia de otras tecnologías de manipulación de gotas, DEST realiza una manipulación de gotas precisa y programable con distancia ilimitada, alta velocidad y control direccional ágil.

La tecnología proporciona un sistema potencial para usar la manipulación de gotas para reacciones químicas, como reacciones de color y reacciones de precipitación. DEST también se puede utilizar para transportar pequeños objetos sólidos y realizar una limpieza selectiva de superficies de alto rendimiento y detección de espectroscopia Raman mejorada de superficie.

También fabricamos un sustrato superhidrofóbico funcionalizado con nanopartículas de plata de modo que las gotas diseñadas, cuando se mueven sobre este sustrato, transportan las nanopartículas de plata. Esto aumentó la sensibilidad de la medición Raman debido a las propiedades plasmónicas de las nanopartículas de plata en las gotas.

Dr Jin Yuankai, primer autor del estudio e investigador postdoctoral, Facultad de Ingeniería Mecánica, CityU

Cuando las pinzas electrostáticas miden y eliminan una gota, las gotas subsiguientes se pueden mover a la posición del láser para otra medición, y los resultados de la medición no interferirán entre sí. Otro beneficio de DEST en la compatibilidad con la medición Raman es que elimina la necesidad de un enfoque láser preciso en la gota, lo que reduce significativamente el tiempo de medición y logra una detección de información de gotas de alto rendimiento”. dr agregado Jin Yuankai agregó.

Nuestra tecnología aumentó la capacidad de control y amplió los escenarios de aplicación de manipulación de gotas y simplificó el proceso de aplicación. Además, los sustratos utilizados en nuestro sistema DEST pueden funcionalizarse, mejorando su desempeño para análisis químicos y biológicos.

Wang Zuankai, Director de Estudios y Catedrático, Facultad de Ingeniería Mecánica, CityU

El profesor Wang es el autor correspondiente del estudio. Los primeros autores son el Dr. jin y dr Xu Wanghuai. Otros científicos de CityU que participaron en el estudio incluyen al Dr. Sun Jing, Yang Siyan, Dra. Zhang Huanhuan y el Dr. Liu Minjie, todos de MNE. Otros socios provienen del Instituto de Microelectrónica de la Academia China de Ciencias.

El estudio recibió fondos de CityU, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, el Consejo de Becas de Investigación de Hong Kong y la Comisión de Innovación Científica y Tecnológica de Shenzhen.

Referencia de la revista:

jin y y otros. (2022) Pinzas electrostáticas para la manipulación de gotas. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias. doi.org/10.1073/pnas.2105459119.

Fuente: https://www.cityu.edu.hk/

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