液滴高速、長距離自驅動傳輸新策略
一直以來，若要在沒有外力推動的情況，在固體表面上高速地傳輸液滴一段長距離，甚至令液滴反地心吸力而行，都是一項艱巨挑戰。不過，一隊由香港城市大學（城大）和三間大學和研究所的科學家們組成的研究團隊，近日便研發出新方法，能夠在不施加外力的情況下，令液滴自驅動，以高速傳輸一段長距離，甚至首次令液滴能夠在沿著表面垂直上升。這新策略對於在微流器件、生物分析器件等方面的應用打開了新機遇。
傳統傳輸液滴方法包括利用表面的浸潤性梯度（wetting gradient）作為推動力，把液滴從疏水的表面部分推往親水的表面。不過，這受制於液滴水動力學裡的兩難取捨︰當要以高速傳輸液滴時，需要較大的浸潤性梯度，因而局限了傳輸的距離較短；但是當要傳輸較長的距離時，則需要較小的浸潤性梯度，以減低液滴與固體表面之間的粘附力，但同時這會使傳輸速度受到限制。
為克服這些挑戰，城大機械工程學系的王鑽開教授與電子科技大學鄧旭教授和德國馬克斯—普朗克高分子研究所的Hans-Jürgen Butt教授，以及中國科學技術大學的研究員合作，研發了一套新方法，實現了在不同表面上的單向和自驅動的液滴傳輸，而且速度達1.1m/s，是歷來最高，比之前文獻紀錄的最高速度高出十倍，傳輸距離亦是最長，理論上是無限制。
首創利用表面電荷密度
這次研究成果的關鍵，在於首次引入「表面電荷密度梯度」（surface charge density gradient）的概念。研究團隊首先在特製的「超雙疏」（即超級疏水和超級疏油）的表面上，用連串水滴撞擊。當水滴撞擊到表面時，水滴會立即分散、收縮、再從表面反彈，這導致水滴的電子分離，因而使表面變成帶有負極。
研究團隊通過控制連串水滴撞擊到表面的高度的連續變化，使表面的電荷密度（surface charge density, SCD），逐步轉變，形成一個梯度（gradient）。
然後，當要傳送的液滴被放到表面，表面電荷密度梯度便成為液滴的推動力，液滴隨即自驅動移向電荷密度較高的方向。
有別於以化學或形態原理造成的梯度不同，在表面上形成電荷密度梯度之後，容易對梯度作出更改，使液滴的傳輸路徑得以改變。這次研究亦顯示了即使在室温，也可以實現高速和極長距離的液滴傳輸，而毋須任何外力。
這種方式的液滴傳輸不只局限於平坦表面，更可以在具彈性和垂直的表面進行。此外，這方法適用於不同液體的傳輸，包括表面張力低、介电常数低的液體、血液或盐溶液。
微流控器件的潛在應用
王鑽開教授說︰「這次研究採用表面電荷密度梯度的原理來實現液滴傳輸，是之前未曾探索的。我們相信這次研究成果將打開研究新方向和應用潛能。例如，在生物醫藥方面，研究人員可按需要設計不同的電荷密度梯度來影響細胞遷移及其他行為。」
鄧教授亦指出，這個新方法將可應用於芯片實驗室、微流體器件、生物分析器件，以至材料科學、流體力學等範疇。
這次研究剛於最新一期的學術期刊《Nature Materials》上發表，題為"Surface charge printing for programmed droplet transport"。研究獲得國家自然科學基金委員會、香港的研究資助局、德國馬克斯—普朗克學會和歐洲研究理事會（European Research Council）的資助進行。
王教授、Hans-Jürgen Butt教授和鄧教授是論文的通訊作者，第一作者為電子科技大學基礎與前沿研究院博士生孫強強。
DOI number: 10.1038/s41563-019-0440-2
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