西安交大科研团队提出“激光切水”的新策略

发布：cyqdesign 2023-09-03 11:12 阅读：1650

众所周知，水是人们赖以生存的自然资源，应用于众多领域。近些年，微量水的图案化和流动控制在材料科学、化学、生物医学等领域引起广泛关注。目前，控制微量水形貌和流动的主要手段是预先加工固体通道，但由于水的无序性和流动性，精准加工水仍存在挑战。针对以上问题，西安交通大学生命科学与技术学院仿生工程与生物力学研究所（BEBC）采用激光加工技术，并通过调节水的流动性和表面张力特性实现了“激光切水”的想法。首先，用疏水性的SiO2纳米颗粒包覆在水的表面构建了厚度为亚毫米级的水饼，随后用激光对该水饼实施切割，成功实现了“激光切水”的构想，并制造出了多种“水图案”（图1）。

图1.（a）制备SiO2纳米颗粒包覆的水饼和激光切割水饼的操作程序，（b）激光切割水饼制造的各种“水图案”。

包覆有疏水性SiO2纳米颗粒的水饼可被激光切割的原因主要有两个：第一，水饼表面的SiO2纳米颗粒对波长为10.6微米的红外激光的红外激光具有较强吸收。激光照射后，SiO2纳米颗粒吸收激光能量将其转换为热量用于水的汽化；第二，当局部的水被汽化后，水的流动会带动表面的SiO2纳米颗粒进一步将暴露的水面覆盖，进而阻止了水的愈合过程（图2a,b）。为阐述激光切割包裹SiO2纳米颗粒水饼的物理过程，通过理论分析和数学模拟对激光切水过程中涉及到的传热和液体流动进行了分析，发现水饼的厚度是影响激光切水过程的重要因素，包括消耗的时间、所需的激光功率和加工的精度（图2c, d）。并通过实验探究了水的体积对水饼面积、水饼厚度对切割可行性及水饼厚度、激光扫描速度对加工精度等影响，得到了优化后“激光切水”的实验参数。

图2.（a）激光切割SiO2纳米颗粒包裹水饼的示意图，（b）激光切割水饼的过程中液体流动的示意图，（c）激光照射点周围SiO2纳米颗粒的温度随时间和位置的变化趋势，（d）激光切割水饼的过程中水的形貌变化和温度扩散。

之后，他们应用激光切割机成功加工出包括十字交叉通道、分散型通道、阵列型通道、弯曲通道、集成型通道、螺旋通道等常用的微流控芯片（图3）。并且，激光切水加工的微流控芯片精度可达350 微米（图3c），证实了“激光切水”加工复杂微流控结构的能力。

图3.（a）利用激光切割SiO2纳米颗粒包覆的水饼制造微流控芯片的动态过程，（b）十字交叉型芯片，（c）分散型芯片及局部放大图，（d）放射型芯片，（e）液滴阵列型芯片，（f）单弯曲通道型芯片，（g）集成型芯片，（h）弯曲通道阵列型芯片，（i）螺旋型芯片。

应用“激光切水”加工的微流控芯片和液滴进行了包括液体泵送、阀、液体混合、液体梯度稀释和分段溶液构建等液体操控，证实了制备的自支撑微流控芯片和液滴的液体操控功能（图4a, b）；基于加工的微流控芯片的开放性，以其为小型化反应平台实现了铜氨络合反应（图4c）；基于微流控芯片的透光性，将其开发为生化传感的微反应器和比色检测平台，用于金属离子、蛋白质、尿素和核酸等生物标志物的检测（图4d-f）；最后，将加工的微流控芯片作为图案化的模具，实现了液态金属的电动操控和图案化水凝胶的合成（图4g），并作为药物梯度稀释和细胞培养平台（图4h）。

图4.（a）液滴内的液体混合，（b）利用加工的微流控芯片实施液体梯度稀释，（c）利用加工的微流控芯片演示铜氨络合反应，（d）利用加工的微流控芯片实施蛋白质、尿素和pH检测，（e）利用加工的微流控芯片实施金属离子检测，（f）利用加工的微流控芯片实施基于合成生物学的核酸传感，（g）利用加工的微流控芯片作为合成图案化水凝胶的模具及其应用演示，（h）加工的微流控芯片作为药物梯度稀释和细胞培养平台用于药物筛查。

该工作创新性地提出了一种通过激光切割加工水的策略，通过束缚水的流动解决了精确加工水的难题，并通过理论分析、计算机模拟和实验探究对这一策略背后的机理进行了详细分析。在应用层面上，通过激光切割水制备的微流控芯片具有开放、透明、透气等特点，在化学、健康、材料科学和生物医学等众多应用领域展示出应用潜力。

该工作以《基于切割纳米颗粒包裹水饼的激光加工水》（“Machining water through laser cutting of nanoparticle-encased water pancakes”）为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。文章通讯作者为西安交通大学生命科学与技术学院仿生工程与生物力学研究所李菲教授和西北工业大学理学院李晓光副教授，第一作者为西安交通大学生命科学与技术学院博士生牛纪成，共同作者包括西安交通大学生命科学与技术学院仿生工程与生物力学研究所徐峰教授、李心泽、刘禹霖、张超、岳可仰、周玉琳同学等，西安交通大学生命科学与技术学院为该论文的第一和通讯作者单位。该工作得到了陕西省杰出青年科学基金项目（2020JC-06）、陕西省重点研发计划（2021SF-168）和西安交通大学青年拔尖人才和创新团队（SY6J007，22127803HZ）等项目的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39574-3

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