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液晶高分子材料的新功能:微管执行器及其光控微量液体运动*

梅索尼兰阀门(苏州)有限公司-【官网】  发布时间:2019-06-10 00:00:00  阅读次数:721

摘 要:微量液体的精确操控在生物医药、液体传输等领域具有广泛的应用价值.目前,基于光诱导的毛细作用力操控液体的方法引起了人们极大的兴趣,因为这类方法在操控过程中无需特殊的光学装置和复杂的微组装过程。但是目前报道的方法只适用于少数特定的液体,并且驱动距离短、运动速度慢、局限于直线运动。

关键字:液体操控 液晶高分子 光致形变 执行器


 

高分子液晶中的柔性高分子链趋向于形成无规线团结构,而刚性介晶基团趋向于有序排列,如何调控这2种相反的趋势曾是液晶高分子领域的难题。为了解决这一难题,早在1978年德国Ringsdorf等提出了“柔性间隔基”的概念,即在柔性高分子主链与含有刚性介晶基团的侧链结构之间引入柔性间隔基,以减弱它们之间的相互影响,据此成功设计和合成了各种侧链高分子液晶材料,开拓了液晶高分子新方向。在此基础上,通过于侧链高分子中引入不同的功能基元,将分子构筑与功能组装相结合,人们发展各种光、电功能高分子材料,并制备了一些有趣的智能器件。

最近,复旦大学俞燕蕾等设计了一种新型结构的侧链液晶高分子材料,用以模拟人工血管通道(图1(a)),开创了“柔性通道”的新方向,实现了精确光控微量液体运动。这种线型液晶高分子的主链具有类似橡胶类材料的柔顺结构,侧链中的偶氮苯既是液晶结构,同时又是光响应基团,较长的柔性间隔基有利于液晶有序结构的形成(图1(b))。这种线型液晶高分子材料通过开环易位聚合法制备,分子量高达Mn=3.6×105,多分散系数1.86。与通常具有交联结构的光致形变液晶高分子材料不同,这种线型液晶高分子无化学交联结构,因而兼具优良的溶液和熔融加工性能,断裂伸长率能高达传统交联液晶高分子的100倍,是新一代高性能的液晶高分子光致形变材料。

通过采用简便的溶液加工法,他们将液晶高分子溶液涂覆于毛细管模板,待溶剂挥发后,分离毛细管模板,即可得到管状执行器。采用不同形状的模板,可以构筑直形、Y形、S形和螺旋形等不同形状的自支撑微管执行器(图1(c))。通过在液晶相退火,微管执行器管壁中的液晶分子由于分子间作用力而形成有序的排列.有趣的是,在梯度衰减的470nm可见光辐射下,微管执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,诱导管壁产生不对称形状变化,引发轴向毛细作用力。这种利用衰减光照射精确调控微管执行器产生不对称光致形变,诱导产生毛细作用力来驱动液体运动的新方法,被认为超越现有的微流体操控技术,是真正具有开创性的“柔性通道”概念(图1(d))。

研究表明这种微管执行器有很宽的适用范围,它不仅能够操控各种非极性和极性的液体,例如硅油、正己烷、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、水等;还能操控复杂流体,例如气液流体、乳化液、气固流体、汽油;甚至可以光控生化液体,例如牛血清白蛋白溶液、磷酸盐缓冲溶液、细胞培养液等,这是目前所报道操控液体种类最多的封闭柔性通道。此外,通过改变外界光照条件,微管执行器还能够精确控制液体的运动方向和速率,速率可以高达5.9mms-1;并能长程运动,在直径为0.5mm的微管执行器中连续驱动微量液体运动53mm(图1(e))。

这种利用光致不对称形变产生的毛细作用力来精确操控液体运动的微管执行器,既不同于光致润湿性梯度,也不同于光致马兰戈尼效应。它可以操控各种润湿和部分润湿的液体,而且在驱动过程中不受三相接触线的黏滞阻力的影响。这种微管执行器还能够光驱动液体爬坡、产生S形和螺旋形运动轨迹,这是在封闭的微通道中难以实现的。此外,该微管执行器还具备操控微量液体搅拌、融合、捕获和传输微小物体的功能,无需任何器件的协助,即可实现非接触、高精度的空间和时间操控,可以极大地简化微流体系统,有望在可控微流体传输、微反应系统、微机械系统、芯片实验室等领域展现出巨大的应用价值。

 

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