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            首頁技術文章 控制閥

            液晶高分子材料的新功能:微管執行器及其光控微量液體運動*

            梅索尼蘭閥門(蘇州)有限公司  發布時間:2019-06-10 00:00:00  閱讀次數:1947

            摘 要:微量液體的精確操控在生物醫藥、液體傳輸等領域具有廣泛的應用價值.目前,基于光誘導的毛細作用力操控液體的方法引起了人們極大的興趣,因為這類方法在操控過程中無需特殊的光學裝置和復雜的微組裝過程。但是目前報道的方法只適用于少數特定的液體,并且驅動距離短、運動速度慢、局限于直線運動。

            關鍵字:液體操控 液晶高分子 光致形變 執行器


             

            高分子液晶中的柔性高分子鏈趨向于形成無規線團結構,而剛性介晶基團趨向于有序排列,如何調控這2種相反的趨勢曾是液晶高分子領域的難題。為了解決這一難題,早在1978年德國Ringsdorf等提出了“柔性間隔基”的概念,即在柔性高分子主鏈與含有剛性介晶基團的側鏈結構之間引入柔性間隔基,以減弱它們之間的相互影響,據此成功設計和合成了各種側鏈高分子液晶材料,開拓了液晶高分子新方向。在此基礎上,通過于側鏈高分子中引入不同的功能基元,將分子構筑與功能組裝相結合,人們發展各種光、電功能高分子材料,并制備了一些有趣的智能器件。

            最近,復旦大學俞燕蕾等設計了一種新型結構的側鏈液晶高分子材料,用以模擬人工血管通道(圖1(a)),開創了“柔性通道”的新方向,實現了精確光控微量液體運動。這種線型液晶高分子的主鏈具有類似橡膠類材料的柔順結構,側鏈中的偶氮苯既是液晶結構,同時又是光響應基團,較長的柔性間隔基有利于液晶有序結構的形成(圖1(b))。這種線型液晶高分子材料通過開環易位聚合法制備,分子量高達Mn=3.6×105,多分散系數1.86。與通常具有交聯結構的光致形變液晶高分子材料不同,這種線型液晶高分子無化學交聯結構,因而兼具優良的溶液和熔融加工性能,斷裂伸長率能高達傳統交聯液晶高分子的100倍,是新一代高性能的液晶高分子光致形變材料。

            通過采用簡便的溶液加工法,他們將液晶高分子溶液涂覆于毛細管模板,待溶劑揮發后,分離毛細管模板,即可得到管狀執行器。采用不同形狀的模板,可以構筑直形、Y形、S形和螺旋形等不同形狀的自支撐微管執行器(圖1(c))。通過在液晶相退火,微管執行器管壁中的液晶分子由于分子間作用力而形成有序的排列.有趣的是,在梯度衰減的470nm可見光輻射下,微管執行器管壁中的液晶基元沿入射光的方向取向,液晶的有序度降低,誘導管壁產生不對稱形狀變化,引發軸向毛細作用力。這種利用衰減光照射精確調控微管執行器產生不對稱光致形變,誘導產生毛細作用力來驅動液體運動的新方法,被認為超越現有的微流體操控技術,是真正具有開創性的“柔性通道”概念(圖1(d))。

            研究表明這種微管執行器有很寬的適用范圍,它不僅能夠操控各種非極性和極性的液體,例如硅油、正己烷、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、水等;還能操控復雜流體,例如氣液流體、乳化液、氣固流體、汽油;甚至可以光控生化液體,例如牛血清白蛋白溶液、磷酸鹽緩沖溶液、細胞培養液等,這是目前所報道操控液體種類最多的封閉柔性通道。此外,通過改變外界光照條件,微管執行器還能夠精確控制液體的運動方向和速率,速率可以高達5.9mms-1;并能長程運動,在直徑為0.5mm的微管執行器中連續驅動微量液體運動53mm(圖1(e))。

            這種利用光致不對稱形變產生的毛細作用力來精確操控液體運動的微管執行器,既不同于光致潤濕性梯度,也不同于光致馬蘭戈尼效應。它可以操控各種潤濕和部分潤濕的液體,而且在驅動過程中不受三相接觸線的黏滯阻力的影響。這種微管執行器還能夠光驅動液體爬坡、產生S形和螺旋形運動軌跡,這是在封閉的微通道中難以實現的。此外,該微管執行器還具備操控微量液體攪拌、融合、捕獲和傳輸微小物體的功能,無需任何器件的協助,即可實現非接觸、高精度的空間和時間操控,可以極大地簡化微流體系統,有望在可控微流體傳輸、微反應系統、微機械系統、芯片實驗室等領域展現出巨大的應用價值。

             

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