摘要 宽温度范围内液滴可控操控在微电子散热、喷墨打印、高温微流控系统等领域有着广阔的应用前景。然而,利用工业上常用的方法构建可控液滴操控平台仍然是一个巨大的挑战。流行的液滴控制方法高度依赖于外界能量输入,对液滴运动行为和操控环境(如距离、速度、方向和宽温度范围)的可控性相对较差。本文报道了一种简便易行、工业适用的制备Al超疏水(S-phobic)表面的方法,该表面能够在宽温度范围内控制液滴的弹跳、蒸发和传输。并进行了系统的机理研究。采用电化学掩模刻蚀和微铣削复合工艺在Al基底上制备了极润湿性表面。为了研究蒸发过程和热耦合特性,进行了宽温度范围内液滴的受控蒸发和受控弹跳。基于液滴在极端润湿性表面的蒸发调控和弹跳机理,利用拉普拉斯压力梯度和温度梯度,实现了在较宽温度范围内合流、分流、抗重力输运的液滴受控输运,为新型药物候选物、水收集等一系列应用提供了潜在的平台。
数字微流控芯片是一种液体处理器,利用电润湿效应移动、合并和分裂液滴,从而进行生化分析。然而,一旦包含几十个以上的电极,硬接线电润湿芯片就会变得繁琐。单面连续光电润湿,其中无特征半导体膜的电润湿效应由光图案控制,是解决这一硬接线瓶颈的有希望的解决方案,但到目前为止,二维液滴操控仍然很困难。在这里,我们演示了通过使用 Z 形光图案沿任意方向操纵液滴,这些光图案将电场旋转任意角度。我们提供了一个驱动液滴朝不同方向移动的理论模型。它通过 Comsol 模拟和实验进行了验证。凹槽宽度的优化使 y 方向的驱动电压大大增加。该芯片可以以 4.86 mm/s 的最大速度沿 y 方向移动染色水滴。这种多维液滴驱动为单侧连续光电润湿开辟了新的可能性,例如合并不在一条线上的液滴、高效液滴混合以及绕过液滴以避免聚结。
激光消融是一种可扩展的技术,用于通过高精度选择性去除材料来降低电极的有效曲折。应用于≈110μm厚的电极涂层,这项工作着重于理解激光消融对生命开始时电极材料特性的影响,以及在整个周期寿命中,消融通道对细胞性能的协同影响。研究了激光后的激光,晶体学的局部变化,并研究了激光冲击电极区域的形态。表明,飞秒脉冲激光消融可以在受影响区域的界面局部在本地局部造成较小的物质损害来实现高速材料的去除。在6C(10分钟)恒定电流恒定电压电荷到4.2 V期间从1 mAh cm-2提高了非驱动电极的1 mAh cm-2,到消化电极的几乎2 mAh cm-2。该好处归因于增强润湿和降低电极曲折的协同作用。维持超过120个周期的益处,并在拆卸后观察到石墨阳极上的液化降低。最后,与润湿分析结合使用的多物理建模表明,激光消除任何一种电极导致了润湿和速率能力的实质性改善,这表明只能通过仅将石墨阳极涂在两种电极上就可以实现实质性的性能益处。
抽象光子学有望在量子技术中发挥独特的作用,用于计算,通信和传感。同时,具有固有的相位稳定性和高性能的纳米级成分,还具有缩放速度的途径。但是,每个集成平台都有一组独特的优势和陷阱,可以限制其力量。到目前为止,量子光子电路的最先进的演示是在硅光子中。但是,薄膜硅锂(TFLN)正在成为具有独特功能的强大平台。制造的进步使任何集成光子平台的损失指标具有竞争力,而其较大的二阶非线性则提供了有效的非线性处理和超快速调制。在这篇简短的综述中,我们探讨了动态量子电路的前景,例如多路复用光子源和纠缠产生 - 在硅(TFLN/SI)光子学上的混合TFLN(TFLN/SI)光子学上,并认为混合TFLN/SI光子学可能具有明天的光子量子技术的能力。
生物医学应用的材料选择通常基于其本体特性。由于材料的表面特性通常不符合生物相容性,因此采用了两种不同的方法:改性本体材料或涂覆涂层。本体材料的改性包括加入添加剂或使用复合材料来提高生物相容性。这种方法主要用于可生物降解材料的开发 [3]。另一种选择是对材料进行涂层处理。生物医学应用中通常使用不同类型的涂层。这样的例子有体内和体外使用的不同聚合物材料,这些材料涂有亲水涂层 [4],承重金属植入物需要表面涂层来改善其与周围组织的相互作用 [5]。
通过开放式电池设计将阴极与空气连接起来的必要性与开发挑战有关。首先,锂金属与水反应剧烈,因此需要非水电解质。此外,需要通过透气但防水的膜和阳极侧的无水电解质来避免潮湿。因此,大多数研究都是在完全非水系统上进行的,其中有机电解质用于阳极和阴极侧。然而,有机电解质面临着自身的挑战。由于大多数气体扩散电极 (GDE) 针对水基电解质进行了优化,并使用聚四氟乙烯 (PTFE) 作为非润湿/疏水粘合剂,因此了解有机电解质如何与这些 GDE 相互作用是必要的。多孔系统内的非润湿区域对于提供存在气体、电解质和活性材料的多个三相接触点至关重要。液体用薄膜覆盖活性区域,确保离子传输到活性位点,而非润湿区域确保气体正确传输到活性区域。图 1 显示了 PTFE 附近的水基电解质膜的示意图,以及电流密度与电极表面液膜厚度之间的关系。在 PTFE 附近,仅形成一层薄液膜,阻碍了离子传输(橙色区域)。在电解质层较厚或孔隙被淹没的另一侧,氧气向活性侧的扩散受到长扩散路径的阻碍(黄色区域)。液体中氧气扩散缓慢会导致浓度过电位增加。在这两个区域之间,离子传输和氧气扩散长度之间的最佳平衡可产生最大电流密度(绿色区域)。如果使用具有优异润湿性能的电解质,则绿色区域中的三相区域会减少,多孔系统的电化学性能会降低。最终,完全淹没的电极(几乎所有活性位点都被液体覆盖)会导致性能不佳。[2] 此问题尤其会出现在表面张力低的有机液体中。[3] Wagner 等人研究了缓慢增加电解质渗透的影响。对于碱性燃料电池,他们观察到 PTFE 分解,因此多孔系统内部疏水区域会损失。这降低了三相边界的厚度,5000 小时后电化学性能损失 12-15%
通过开放式细胞设计,阴极与空气的必要连接与开发挑战有关。首先,Li金属是用水爆炸性反应性的,因此需要非水电。此外,还需要通过阳极侧的空气渗透性但无水电解质来避免湿度。因此,大多数研究都是在完全非水系统上进行的,其中有机电解质在阳极和阴极侧使用。但是,有机元素会面临自己的挑战。由于大多数气体扩散电极(GDE)是针对与聚氟乙烯(PTFE)的水基电解质优化的,因为无氧/疏水性粘合剂是必需有机电解质与这些GDE相互作用的理解。多孔系统内部的未润湿区域对于提供多个三相接触点至关重要,其中存在气体,电解质和活性材料。液体用薄膜覆盖活性区域,以确保离子传输到活跃部位,而未耶和华的区域则确保适当的气体传输到活跃区域。图1显示了PTFE附近的水基电解质膜的示意图,以及电流密度如何与电极表面上的液体膜厚度相关。在PTFE附近,仅形成薄薄的液体膜,阻碍了离子传输(橙色区域)。在另一侧,带有厚电解质层,甚至被淹没的孔氧气向活性侧的扩散受到长的扩散路径(黄色区域)的阻碍。液体中缓慢的氧扩散导致浓度增加电势。在这两个区域之间,离子传输和氧扩散长度之间的最佳平衡得出的最大电流密度(绿色区域)。如果使用具有优质润湿特性的电子,则绿色区域中的三相区域将减少,并且多孔系统表现出较低的电化学性能。实际上是完全洪水的电极,几乎所有活性位点都覆盖着液体的较低性能。[2]此问题尤其是针对低表面张力的有机液体。[3] Wagner等人研究了缓慢增加电解质渗透的影响。对于碱性燃料电池,他们观察到PTFE的分解,因此在多孔系统内部疏水区域丧失。这减少了三相边界的厚度,在5000 h
不同类型的液体固定表面,超疏水材料和涂料是良好的。有效的超疏水表面必须具有地形粗糙度和防水表面化学。微型或纳米乳状表面,通过微观图案制造,然后进行表面化学修饰[13,14],通常用于系统地探索超恐惧症的特性。但是,它们的织物需要在大规模应用上经济上可行的光刻过程。[15]为了克服这一问题,已经报道了用于预先处理超疏水表面和材料的众多替代解决方案。[16,17]中,通过喷涂沉积的涂料在工业和企业应用中都发现了市场。[15]然而,喷雾沉积过程和材料的随机性会导致涂层均匀性的变化,并带来了提供一致的高涂层质量的挑战。在很大程度上缺乏这些广泛使用涂层的润湿性能的系统定量评估,[18],可以使涂料程序和涂料配方的优化有益于优化。表面的润湿表征传统上是通过光接触角性测量法(CAG)进行的。[19]该技术在高度非润湿表面(例如超疏水涂层)上的准确性降低,在这些技术中,前进和退化的接触角的误差可以达到10°。[23][20–22]此外,人们普遍理解,这些测量不适合研究表面润湿性的空间异质性,因为几毫米的横向分辨率导致平均润湿性能在大面积上平均。
膜型超材料,[17] 最近的研究表明,将液体与固体结构结合起来可以极大地促进可重构性。最近展示了一种被动可重构亥姆霍兹共振器,其中填充了不同体积的水来调节其自由腔空间。 [18] 但是,为了主动调整液体嵌入超材料设计,我们需要主动微流体技术来在芯片上控制液体的流动性。文献中存在许多主动微流体控制机制 [19],如光电润湿、电泳和表面声波。这些可用于以受控方式移动微尺度液滴,并已被用于各种应用,如芯片实验室、[20] 打印、[21] 光流体透镜 [22] 和声流体。 [23] 然而,声流体领域 [24] 迄今为止仅关注使用施加声场来操纵液滴 [25,26],而不是反之亦然。此外,由于尺寸大、吞吐量低、体积大以及整合主动控制机制所需的材料成本高昂,制造超紧凑可调超材料设计面临着制造挑战。在这里,我们提出并开发了一种新型超紧凑元结构,我们称之为超材料,它具有利用微流体的主动驱动机制,这将具有重要实际意义并促进微流体声学超材料 (MAM) 的新方法。在本文中,我们设计、制造并展示了一种液滴集成超材料,其可调性源自一种基于数字微流体的主动液滴操纵技术,称为电介质电润湿 (EWOD)。 [27–29] 我们利用微机电 (MEMS) 技术实现了对深亚波长狭缝(尺寸为长度 = 0.5 λ (L)、宽度 = 0.06 λ 和高度 = 0.02 λ )的动态控制,以操纵超声波(40 kHz)。例如,在文献中很少见到在频率 20.9 kHz(λ 表示声音的波长)时约为 λ /650 的超薄深亚波长超材料,其中通过在超表面上镂空图案化来剪纸任意图案。[30] 已报道的大部分作品(如范围在微米到毫米级的超声波超透镜 [31])都是“被动的”,但这里我们提出了一种新型的主动可调谐深亚波长超薄超材料(厚度为 200 微米,高达 λ /44),据我们所知,与以前的研究相比创下了纪录。基于 MEMS 的 MAM 设计铺平了道路