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复旦大学俞燕蕾教授课题组在光控柔性微管执行器中取得新进展
2019-07-10 来源:中国流变网    点击次数:60次    

  从古至今,水(流体)的定向控制非常重要并且富有挑战性。近年来,复旦大学俞燕蕾教授团队提出光致毛细作用力驱动液体运输的新机制,利用光响应液晶高分子构筑微通道实现液体的精确操控,相关成果发表在《自然》杂志(Nature, 2016, 533, 179-184)。应用这一原理,近期该团队将光响应液晶高分子涂覆在商用EVA软管内壁,构筑了一种光控双层微管执行器。这种复合微管具有良好的柔性和可裁剪性,可以弯曲成螺旋形、S形、环形,甚至打结,并且表现出良好的液体操控性能。该柔性微管执行器在可穿戴微流控领域具有潜在的应用前景。

  俞燕蕾教授团队利用联苯和偶氮苯基元的协同效应,设计并合成了一种具有良好力学性能的光响应线型液晶高分子PABBP,其弹性模量可与商用EVA软管匹配,复合构筑出双层微管执行器。此外,联苯基元的引入能够增加PABBP层中的光照穿透深度,提高光致形变能力,带动超过自身四倍厚度的非响应层EVA管产生形变。

图1.光控柔性微管执行器的双层结构以及内层液晶高分子PABBP的分子结构(EVA层厚度约100 μm,PABBP层厚度约25 μm)。

  在温和的光照(蓝光LED灯,80 mW/cm2)条件下,双层微管执行器的局部截面积沿管轴方向发生不对称变化,诱导管中液柱两端形成不对称毛细作用力,驱动各种液体包括高粘度硅油以及水的定向运输。此外,利用光远程、精确、定点操控的特点,该团队能够驱动多根平行排列微管中的液柱单独或者同步移动,为微流控系统的集成控制提供了可能性。


图2. (a) 单层PABBP管在蓝光照射下的光致形变;(b) 光致毛细作用力驱动液柱运输的原理图;(c) 利用点光源与线光源驱动液柱在多根微管中的定向运动;(d) 双层微管执行器在手指弯曲状态下的光控液体运输。

  实验还进一步证明,附着在手指上的双层微管执行器随着手指弯曲改变形状但不会折断,且在蓝光驱动下仍能实现管内液体的定向移动。同时,该团队还发现PABBP层具有一定的自修复性能,受损断裂后,在紫外光照射下发生光致流体化,可与EVA层重新贴合,恢复液体运输功能,有效提升双层微管执行器的稳定性以及使用寿命。这种微管执行器有望作为可穿戴微流控部件,进一步实现柔性器件的便携化和小型化。

  以上成果作为封面论文发表在Small (Small, 2019, 15, 1901847)上。论文的第一作者为复旦大学材料科学系博士生许波,通讯作者为俞燕蕾教授

  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201970131

 
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