水是人類賴以生存的自然資源,應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。近些年,微量水的圖案化和流動控制,在材料科學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。
“抽刀斷水水更流”?不,是“激光切水出圖案”!9月1日記者獲悉,西安交通大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)科研團隊合作提出“激光切水”的新技術(shù),并實現(xiàn)了這一想法,為 “水”的應(yīng)用提供了新的思路。
激光切割“水餅”制造的各種圖案。
用激光實現(xiàn)對水的切割和加工
如何“馴服”水并為人們所用,自古以來就是一門學(xué)問。切割水,在人們眼中是一件不可思議的事情,正如唐代詩人李白的著名詩句:“抽刀斷水水更流,舉杯消愁愁更愁?!敝蟹从车模鳛橐环N無序性的流體,難以通過傳統(tǒng)方法進行塑性和切割。
當(dāng)下,控制微量水形貌和流動的主要手段是預(yù)先加工固體通道。但由于水的無序性和流動性,精準(zhǔn)加工水仍存在挑戰(zhàn)。激光切割作為一種利用光熱效應(yīng)加工固體材料的技術(shù),可否實現(xiàn)水的切割和加工呢?
基于以上想法,西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李菲教授課題組與西北工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院李曉光副教授課題組合作,駕馭被稱為“最快的刀”——激光,采用激光加工技術(shù),通過調(diào)節(jié)水的流動性和表面張力特性,實現(xiàn)了“激光切水”的想法,將“抽刀斷水”變成了現(xiàn)實。
該團隊首先用疏水性的二氧化硅納米顆粒包覆在水的表面,構(gòu)建了厚度為亞毫米級的“水餅”,隨后用激光對該“水餅”實施切割,成功實現(xiàn)了“激光切水”的構(gòu)想,并制造出了多種“圖案”。
追溯“水餅”能被切割的原因
為什么激光能神奇地切開水呢?團隊科研人員介紹,“水餅”可被激光切割的原因主要有兩個:第一,“水餅”表面的二氧化硅納米顆粒對波長為10.6微米的紅外激光具有較強吸收,經(jīng)過激光照射,二氧化硅納米顆粒吸收激光能量將其轉(zhuǎn)換為熱量用于水的汽化;第二,當(dāng)局部的水被汽化后,水的流動會帶動表面的二氧化硅納米顆粒進一步將暴露的水面覆蓋,進而阻止了水的“愈合”過程。
李菲介紹,團隊還通過實驗探究了水的體積對“水餅”面積,“水餅”厚度對切割可行性及“水餅”厚度、激光掃描速度對加工精度等影響,得到了優(yōu)化后的“激光切水”實驗參數(shù)。隨后,應(yīng)用激光切割機成功加工出包括十字交叉通道、分散型通道等常用的微流控芯片,證實了“激光切水”加工復(fù)雜微流控結(jié)構(gòu)的能力,并確定“激光切水”加工的微流控芯片最小可達350 微米。
“激光切水”制備的微流控芯片可應(yīng)用在眾多領(lǐng)域
流體操控是微流控芯片和液滴的主要應(yīng)用之一。該團隊?wèi)?yīng)用“激光切水”加工的微流控芯片和液滴進行了相關(guān)液體操控,證實了制備的自支撐微流控芯片和液滴的液體操控功能。
在研究過程中,基于“激光切水”加工的微流控芯片的開放性,該團隊?wèi)?yīng)用“激光切水”加工的微流控芯片作為小型化的反應(yīng)平臺實現(xiàn)了化學(xué)合成。例如,銅氨絡(luò)合反應(yīng)和氨基酸與水合茚三酮合成反應(yīng)?;凇凹す馇兴奔庸さ奈⒘骺匦酒耐腹庑?,團隊將其開發(fā)為生化傳感的微反應(yīng)器和比色檢測平臺,用于金屬離子、蛋白質(zhì)、尿素和核酸等生物標(biāo)志物的檢測。最后,將加工的微流控芯片作為圖案化的模具,實現(xiàn)了液態(tài)金屬的電動操控和圖案化水凝膠的合成,并作為藥物梯度稀釋和細胞培養(yǎng)平臺。
通過研究,該團隊創(chuàng)新性地提出了一種通過激光切割加工水的技術(shù),通過束縛水的流動解決了精確加工水的難題。通過激光切割水制備的微流控芯片在化學(xué)、健康、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域展示出應(yīng)用潛力。
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