1. 发明了磁场控制的可程序化操控液滴的“机器人”。液滴操纵在很多领域都有重要应用。例如，在传热研究中，增加液滴在固体表面的停留时间，可以加快物体的冷却速率；在防结冰研究中，如何快速移除表面液滴是重点研究内容之一；而在微流控技术中，如何快速有效地控制液滴产生及抑制融合是该技术的一个关键问题。近年来，控制液滴行为的方法得到了极大发展。研究人员根据不同的控制原理，发展出了各种各样的液滴控制方法，包括：1）通过传热调节液滴内部马兰戈尼流动或者在液滴下方产生气流，从而实现热驱动；然而，这些方法都难以实现除液滴移动外的其它复杂行为操纵，也就是说无法实现液滴的多行为操纵。如何利用简单方法实现液滴的复杂多行为操纵一直都是液滴控制研究领域的难点之一。近日, 中国科学院化学研究所宋延林研究员团队提出了“液滴操纵机器人”的概念，在磁场的驱动下，首次实现了液滴的移动、切割、释放和旋转等复杂运动行为，拓宽了液体操纵的行为方式，在微流控、组合化学等领域具有广泛应用前景。他们利用磁场控制两个不锈钢小球，然后基于这两个钢球的行为对液滴进行操纵。研究发现：1）当钢球的中心距合适（5 mm）时，液滴可以在两个钢球的拖动下进行移动；2）当钢球的中心距过小（2 mm）时，钢球的移动无法带动液滴运动，但在钢球之间能够残留小液滴，实现液滴的切割；3）当钢球的中心距过大 （10 mm）时，钢球的移动也无法拖动液滴，且没有液滴的残留，从而释放液滴。此外，还可利用磁场控制钢球在液滴内部转动，实现液体的搅拌。研究发现，钢球中心间距、液滴体积能够对液滴的操纵行为产生显著影响，如下图所示。液滴的切割行为只发生在中心间距较小的情况。增加液滴体积和中心间距，会使液滴行为从移动转化为释放。这是因为两个钢球将液滴周围的三相接触线分为了前后两部分，液滴移动的阻力也主要来源于这两部分三相线与基底之间的粘附力。当钢球中心距较小时，前端三相线受到的粘附力小，后端三相线的受到粘附力较大。钢球移动只能拖动前端三相线，使液滴发生切割行为。增大中心距会使前端三相线变长，所对应的粘附力也会变大，后端三相线变短，从而粘附力会变小。适当调控它们的相对大小，就可以实现液滴的移动和释放行为。除了操纵水滴之外，作者还将这种方法拓展到了油滴和气泡等多种流体。这种方法不仅能够在空气中操纵液滴，还能够在水下操纵油滴，在油下操纵水滴，在水下操纵气泡。这极大拓展了该方法的应用范围。通过调节钢球的尺寸，这种液体操纵方法还能对不同体积的液体进行操纵。作者展示了使用直径500微米的小球对9微升的液滴进行移动、切割、释放和旋转。而且液滴的多行为操纵还能在多种的基底上实现，例如塑料管、玻璃片和倾斜硅片等。这种液滴操纵方法在很多领域都具有潜在应用。例如在液滴的微反应方面，传统的液滴操纵方法只能进行液滴的移动，应用范围受到很大的限制。而在该研究中，作者实现了酸碱中和反应。他们将氢氧化钠液滴，酸碱指示剂液滴和盐酸液滴放在基底上。先用钢球从氢氧化钠液滴中切割出一个小液滴移动到酸碱指示剂中，搅拌之后液滴变为粉红色。随后又从盐酸液滴中切割一个小液滴移动到酸碱指示剂中，搅拌混合后，氢氧根离子与氢离子中和，液滴又恢复了无色。除此之外，作者还展示了这种方法在临床医学方面 (如在管道中搬运胆固醇) 的潜在应用。作者通过磁场调控设计了一种能够实现液滴多种复杂行为操纵的机器人,能够在多种液体中操纵多种流体的运动，例如空气中操纵水滴、水下操纵油滴、油下操纵水滴和水下操纵气泡。该技术在化学分析和生物医学等领域都具有广泛的应用前景。A. Li, H. Li, Z. Li, Z. Zhao, K. Li, M. Li, Y. Song,Programmable droplet manipulation by a magnetic-actuated robot. Sci. Adv. 6,eaay5808 (2020).https://advances.sciencemag.org/content/6/7/eaay5808
