玩转液滴

作者: 李安

来源: 中国科学院化学研究所

发布日期: 2020-04-30 07:30:00

本文介绍了液滴移动在日常生活中的现象及其在工农业生产中的应用,探讨了液滴移动控制的复杂需求和研究热点,以及中国科学院化学研究所宋延林团队在液滴运动多行为控制方面的研究成果和应用前景。

在生活中,有一种非常常见的现象:雨水冲刷后窗户会格外干净。在这一现象的背后,其实是液滴移动在起作用。下雨时,雨滴落在玻璃上,受重力作用滑落,灰尘就被雨滴收集带走了。液滴移动这一小小的过程,除了在日常生活中随处可见外,在其它领域也有很多重要的应用。

工农业生产中的很多领域都离不开对液滴移动的控制。比如检测血糖时,用检测试纸接触血滴,血液就能在毛细力的作用下沿试纸自发输运至血糖仪的检测区域,实现对血糖的快速检测。红酒在酒杯内壁会形成一道道“酒泪”,即所谓的挂杯现象,根据“酒泪”在杯壁的下滑速度,就可以判断红酒中酒精和甘油等成分的含量。喷洒农药时,人们通过各种方法防止喷洒到植物叶子上的农药液滴从表面滑落,来充分发挥农药的效用。

然而,当前对液滴的简单移动控制已无法满足特定应用中的复杂需求。比如,控制液滴进行反应的微流控技术,不仅需要移动液滴,还需要从液滴中取出微量试剂进行反应。如何实现对液滴复杂运动行为的精确控制,是液滴研究领域的热点之一。

事实上,如何实现液滴移动、切割等复杂运动行为,自然界已经给了很多启示。许多生物都会巧妙地利用结构来控制液滴。

生活在沙漠中的仙人掌,其针状叶靠近根茎的一端较粗,朝向外侧的一端较细,形成锥状结构。清晨的雾气在针状叶的尖端凝结后,会在不对称毛细力的作用下自发移动到针状叶的底部,为根茎补充水分。有些水鸟能通过鸟喙的开合实现液滴的移动。它们张开嘴时,嘴中液滴两侧受到的压力不同,离嘴近的一侧压力小,离嘴远的一侧压力大,液滴在压力差的驱动下,逐步地移动到了口中。

受到这些现象和原理启发,中国科学院化学研究所宋延林团队实现了液滴运动的多行为控制,不仅能移动液滴,还能对液滴进行切割、释放和搅拌。他们使用磁场控制两个钢珠制成“液滴机器人”,来控制液滴。当两个钢珠间距较小时,钢珠移动时会从液滴中切割出一个小液滴;适当增大间距后,钢珠移动时会带着液滴一起移动;进一步增大间距,钢珠就不能拖动液滴;而且,还可以通过磁场旋转钢珠,实现液滴内液体的搅拌混合。

研究人员认为,实现液滴多种行为控制的难点在于如何实时改变液滴的受力。例如水滴在窗户上滑落时,重力是驱动力,而阻力来自液滴与玻璃的粘附,这时候阻力是固定的,水滴就只能向下移动或静止在玻璃上。而引入两个钢珠之后,液滴的三相线被分成了前后两部分,阻力变成了前方阻力和后方阻力。钢珠的间距改变时,这两个阻力的大小也就发生了变化。间距较小时,前方的三相线较短,阻力较小,而后方三相线阻力较大。

钢珠移动时就会扯断液滴,实现液滴切割。间距较大时,前方阻力较大,钢珠无法拖动液滴,实现了液滴的释放。而间距适当时,前后方阻力相匹配,液滴就能够被钢珠拖动。

在微流控中,除了在固体表面控制水滴外,有时还需要在其它场景下对液体进行控制。为此,研究人员将这种技术推广到了不同体系。对钢珠进行超疏水处理后,能够在水下控制油滴和气泡。利用超亲水处理后的钢珠,则可以在油下控制水滴。此外,钢珠还可以在竖直的表面和半封闭的管道等复杂环境中控制液滴。这大大拓展了这种液滴控制技术的应用范围。

利用这种技术,研究人员实现了液滴的自动控制。

他们使用电脑编好的程序进行酸碱中和反应。先将氢氧化钠液滴、酸碱指示剂液滴和盐酸液滴分别放在基底上。控制小球从氢氧化钠液滴中切割出一个小液滴移动到酸碱指示剂中。搅拌混合后,液滴因为碱性而变为粉红色。然后,又从盐酸液滴中切割一个小液滴移动到酸碱指示剂中。搅拌混合后,氢氧根离子与氢离子发生了中和,液滴又恢复成无色。这种技术可望实现自动化的生物化学反应。

当在对有毒有害试剂进行处理时,这种技术可避免操作人员与试剂直接接触,大大降低发生意外的风险。而且,除了自动化反应以外,这种技术在血管清淤、结石收集等临床医学方面也具有广泛的应用前景。

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