一种可用于液滴稳定操控的微纤毛修饰的磁响应薄膜平台

来源：高分子科学前沿

图1 (a) 基于柔性超疏水磁响应PDMS薄膜的液滴操控实验平台示意图。液滴行代表微液滴运动以及薄膜下的永磁体的动态过程。(b) 基于局部变形的液滴操控简易原理图。(c) 尺寸为5×5厘米且具有柔性的超疏水磁性薄膜的光学图像。(d) 接触角、滑动角与样品制备中固化剂、磁性颗粒质量比的关系曲线。其中，PDMS的质量值固定为15 g。(e) 不同成分质量比下的磁性PDMS纤毛的典型SEM图像。

本论文在课题组前期关于柔性纤毛合成及应用（Adv. Funct. Mater. 2020, 2008574; J. Mater. Chem. A 2020, 7, 27334）的研究基础上，设计并制备了具有磁响应功能且超疏水的PDMS薄膜，通过磁场施加于柔性薄膜上的局域变形，从而获得液滴的快速及精准操控。与以往大多数基于磁性纤毛的液滴操控原理相异，此处纤毛的作用主要在于提供表面微结构而实现疏水界面，而局域变形以获得液滴操控的功能则通过底部薄膜来实现，从而可以缩短响应时间及实现液滴的长距离、快速操控。通过磁场简单可控地在磁响应薄膜上原位形成微纤毛阵列，该方法既简化了加工步骤，又因一体化结构而在超疏水稳定性方面实现了明显的提高。得益于微纤毛结构与下层磁性基底的牢固结合，在施加一定的作用力摩擦，胶纸粘贴，砂纸磨损等测试后，柔性基底依然可以保持微纤毛表面及相对较低的液滴粘附作用。再者，当样品在酸性（pH值为4）或碱性（pH值为12）条件下浸泡18小时后，或长时间放置于空气中，依然能够维持稳定的超疏水性能。考虑到液滴操控中薄膜变形的问题，该工作也验证了薄膜在拉伸变形过程中，依然能够保持一定的超疏水性能，确保其在使用过程中不会因局部的变形而丧失疏水特性。前述实验验证了该超疏水磁性薄膜基底有潜力为长期且稳定的液滴操控提供一定的可操作性。

图2 (a) 不同测试后的接触角、滚动角的变化趋势。测试包括酸、碱溶液浸泡，摩擦压力和机械磨损等。(b) 使用市售双面胶带的剥离试验的光学图像。(c) 磁性薄膜在不同的拉伸状态下（25%到75%）的表面超疏水特性。(d) 磁性薄膜在空气中长时间放置后的表面超疏水稳定性评估。

结合课题组自主开发的‘磁铁’可编程机械操控平台，该工作展示了基于超疏水磁性薄膜的液滴操控性能。在磁场作用下，磁性薄膜上的局部变形可以快速响应永磁铁的位置变化，从而实现液滴的最大瞬时可控速度高达~173 mm / s，且在特定驱动频率下可精确稳定的控制体积范围为2-100 μL。而且，即便平台具有一定的倾斜角度（如30°）时，局域的变形亦能够确保液滴的平稳控制而不与平台分离。同时，该工作亦通过实验，对比了静态扩散混合与动态混合模式下的混合效率及时间，验证了来回动态移动液滴的混合能够有效地将时间缩短至1.6 s（容积为20 μL的液滴），足足提升了约60倍。这有利于在快速反应及检测过程中，有效地缩短样品的处理时间及操作步骤。在此基础上，借助并行操作和系列浓度稀释等功能演示，我们认为针对此种基于微纤毛修饰的磁性超疏水基底和磁性驱动平台的设计方案，有望未来在基于液滴的检测平台及‘芯片实验室’等不同的领域获得应用。

图3 (a) 磁性薄膜表面的周期性液滴操控。从左到右依次为：2 μL @0.5 cycle/s，10 μL @5 cycles/s和40 μL @5 cycles/s。(b) 以约30°的倾斜角在基底上进行反重力液滴（10μL）操控。(c) 静态与动态混合效率的实时光学图片对比。 (d) 液滴体积分别为20 μL（顶部）、10 μL（中心）及5 μL（底部）的平行操作示意图和实验结果。(e) 基于稀释剂体积调控而实现的并行浓度梯度阵列的产生。