基於液體積木的可重構液體器件！
液體因其流動、溶解、變形和相分離的能力，在構建各種功能裝置方面得到了廣泛應用；然而，基於液體的裝置製造可能成本高昂且缺乏可重構性，因為需要預先設計的固體圍壁。在此，東南大學顧忠澤、杜鑫報告了一種透過組裝和拆卸不同型別的液體滴珠（類似於玩具積木）來生成和操作功能性液體裝置的新策略；我們還揭示了背後的機制。在支撐基底上，可以快速構建和重構具有多樣組成和幾何形狀的多相液體裝置，這使得液體的自由結構化和精確程式設計液體-液體介面成為可能。展示了在流體裝置、微型反應器及其組合中的應用。該研究以題為“Reconfigurable liquid devices from liquid building blocks”的論文發表在《Nature Chemical Engineering》上。
【液體積木概念的演示】
圖1展示了液體積木概念的實現，透過在矽膠油中孵化的柱狀基底上，利用表面張力原位產生液體單元。這些液體單元能夠自發地連線形成均質的液體結構，而不混溶的液體單元則在特定位置構建所需的液體-液體介面。透過這種方式，可以在幾分鐘內構建出具有多樣化幾何形狀、組成和精心設計的液體-液體介面排列的2D和3D液體裝置。此外，液體積木策略允許使用者根據需要拆卸和移除液體單元，重新配置已構建的液體結構的設計和功能，從而展示了在流體裝置、微型反應器及其組合中的應用潛力。
圖1|液體積木概念的演示
【流體液體裝置】
圖2展示了利用液體積木策略構建的流體液體裝置，包括在柱狀基底中泵入帶有染料的溶液以實現顏色變化，從而驗證了液體在通道中的替代過程。研究還探討了在沒有柱狀陣列的情況下，水-油介面在流體通道入口和出口處的變化，以及利用柱狀基底時液體通道的穩定性。結果表明，透過柱狀基底，可以實現在高泵送速率下的增強穩定性。此外，利用液體積木策略，可以透過靈活的手動過程構建相對簡單的流體結構，或者使用定製的分配機器在幾分鐘內自動建立複雜幾何形狀的流體結構。這些多樣化的流體結構在相同的設計柱狀基底中構建，實現了不同幾何形狀下液體的連續定向輸送。然而，基於固體牆或超疏水紋理結構的流體裝置，其液體定向輸送路徑是預先定義的，限制了基底在不同應用中的多樣性。透過改變柱狀基底的尺寸，還可以生成不同尺度的流體通道。這些發現證實了液體積木策略在構建和最佳化電子效能方面的能力，以及在構建多組分電池和微反應器方面的潛力。
圖2|流體液體裝置
【多相液體裝置】
圖3展示了液體積木策略在構建多相液體裝置中的應用，其中包括了使用不同表面張力的液體來建立液體單元，並發現這些單元的效能與液體在基底材料上的接觸角高度相關。研究還探討了表面張力和接觸角對液體單元生成的影響，發現液體單元的幾何形狀由接觸角決定，而液體-油介面的擴充套件速度則由表面張力主導。因此，穩定液體單元的生成通常依賴於液體的適當接觸角。基於這一發現，可以採用不同型別的液體來極大地增強策略的通用性。例如，採用水凝膠前體可以生成水凝膠單元，這對於生物應用可能非常重要；引入液態金屬（LM）可以賦予裝置導電性；而使用全疏液Krytox33作為功能液體，可以生成防止小接觸角液體擴散的液體牆，從而允許使用許多有機溶劑。當相鄰的液體單元不混溶時，它們之間的邊界會自動形成液體-液體介面，允許選擇性提取或運輸特定物質。利用液體工具箱，可以快速組裝具有多個良好排列的液體-液體介面的液體裝置，這在其他構建方法中由於可用液體型別的限制而難以實現。例如，展示了一個多相液體電池的示例，其中包含了水單元、離子液體（IL）單元、液態金屬單元以及Krytox單元作為防止IL擴散的液體牆。這種全液體裝置作為可充電的無膜微型電池工作，透過充放電測試和開路電壓測量得到了驗證。由於策略的靈活性，可以輕鬆構建具有不同幾何設計或不同電解質組成的全液體電池，以調節和最佳化電子效能。此外，這種多相液體裝置還可以作為級聯化學反應的微反應器，液體積木的多個介面作為不相容試劑的隔室，使得一鍋合成成為可能。
圖3|多相液體裝置
【可重構液體裝置】
圖4展示了可重構液體裝置的特性，這些裝置允許透過快速連線、切割和移除液體單元來實現所需的重構。具體來說，圖中展示瞭如何使用氟化紙片切割連線的液體單元，以及在切割過程中三相接觸線的變化。透過這種策略，可以在幾分鐘內實現液體結構的連線、切割和交替，這對於當前的液體裝置來說是一個挑戰。此外，圖4還展示了在液體積木構建的裝置上進行酶聯免疫吸附試驗（ELISA），這是一種在實驗室中主流的生物醫學分析方法，但傳統的ELISA方法勞動密集且需要多次孵育和洗滌步驟。透過在液體積木裝置上進行ELISA，可以實現高效、經濟且方便的點對點檢測，這可能使得將多個繁瑣的實驗步驟整合到一個裝置中成為可能。這些發現表明，液體積木策略不僅能夠實現液體裝置的快速構建和重構，還能夠簡化複雜的生物醫學分析流程，具有在生物醫學診斷和微流控技術中的廣泛應用潛力。
圖4|可重構液體裝置
【小結】
該研究提出了一種受樂高積木啟發的液體積木策略，透過直接組裝和拆卸液體單元，實現了快速構建和現場重構液體裝置，包括流體裝置和多相裝置。這些裝置具有多樣化的幾何形狀、不同的液體組成和精心設計的液體-液體介面佈局，展示了在流體晶片和微反應器等領域的應用潛力。儘管當前設定存在侷限性，如3D流體通道的穩定性和複雜化學反應的探索，但液體積木策略為液體操縱開闢了新路徑，值得進一步的最佳化和研究。
來源：BioMed科技
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