Wetenschappers bereiken femtoseconde laserfabricage van magnetisch reagerende Janus-origami-robots

De veelzijdige manipulatie van druppels op verschillende schaalniveaus is veelbelovend op verschillende gebieden, met name op het gebied van precisiechemie en biomedische diagnostiek. Vanuit praktisch oogpunt vereisen effectieve druppelmanipulatietechnieken multifunctionele integratie en toepasbaarheid op verschillende schaalniveaus.

Magnetische excitatie is op grote schaal toegepast op het gebied van druppelmanipulatie vanwege de voordelen ervan, zoals bestuurbaarheid op afstand, biocompatibiliteit, ongevoeligheid voor omgevingsfactoren zoals substraatlading en uitstekende transparantie. Het uitbreiden van de mogelijkheden van magnetisch responsieve druppelmanipulatie en het uitbreiden van de diverse functionaliteiten van microliter- tot nanoliterschalen blijven echter enorme uitdagingen.

Als antwoord op deze uitdaging ontwikkelden professor Hu Yanlei en zijn onderzoeksteam van het Micro/Nano Engineering Laboratory van de University of Science and Technology of China (USTC) van de Chinese Academy of Sciences (CAS), in samenwerking met andere onderzoekers, een magnetisch aangedreven Janus-origami-robot met behulp van femtoseconde laser-nanofabricagetechnieken.

Deze robot maakt effectieve integratie mogelijk van diverse functionaliteiten voor druppelmanipulatie, waaronder driedimensionaal druppeltransport, samenvoegen, splitsen, nauwkeurige dosering en on-demand vrijgave van dochterdruppels, evenals roeren en verwarming op afstand.

Bovendien vertoont deze manipulatiestrategie opmerkelijke stabiliteit en maakt de manipulatie van druppeltjes mogelijk met volumes van ongeveer 3,2 nanoliter tot ongeveer 51,14 microliter. De resultaten van dit onderzoek, getiteld “Magnetische Janus-origamirobot voor omni-manipulatie van druppels op schaal”, zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

De bovenste en onderste oppervlakken van de magnetisch reagerende dubbellaagse Janus-origamirobot vertonen duidelijke bevochtigingseigenschappen. Het bovenoppervlak van de robot bevindt zich in een superhydrofobe toestand met een lage druppeladhesie, terwijl het onderoppervlak hydrofoob is met een hoge druppeladhesie.

Tegelijkertijd worden er twee vouwen op het bovenoppervlak van de robot ontworpen om de spontane omhulling van druppels onder capillaire krachten bij contact te vergemakkelijken. Het algemene profiel, de vouwen en de micro-/nano-functionele structuren van de robot worden vervaardigd en aangepast door middel van femtoseconde-laserscanning.

Aangedreven door een magnetisch veld nadert de robot actief waterdruppels en kapselt deze in door te rollen, waardoor gecontroleerd druppeltransport mogelijk wordt. Bovendien kan de magnetisch reagerende dubbellaagse Janus-origamirobot dochterdruppels van grotere druppels verdelen door gericht rollen en vouwen.

Door de magnetische veldsterkte te regelen, kunnen de verdeelde dochterdruppeltjes uit de robot worden geëxtrudeerd. Door gebruik te maken van de speciaal ontworpen superhydrofobe buitenkant duwt de robot zachtjes druppels voor gecontroleerde vrijgave en scheiding. De robot kan ook roteren onder invloed van het magnetische veld, waardoor een gecontroleerde vloeistofmenging wordt bereikt en, in combinatie met zijn fotothermische eigenschappen, verwarming op afstand mogelijk wordt.

Magnetisch reagerende Janus-origami-robots zijn ontwikkeld om veelzijdige druppelmanipulatie over de schaal mogelijk te maken, en bieden functies die lijken op commerciële magnetische roerders. Naast het snel mengen van water, beschikken deze robots over het vermogen om vloeistoffen met een hoge viscositeit, zoals glycerol, effectief te mengen via hun verwarmings- en roerfuncties, waarbij temperaturen van boven de 80°C worden bereikt.

Voortbouwend op hun diverse mogelijkheden voor druppelmanipulatie, integreren de magnetisch reagerende Janus-origami-robots naadloos verschillende druppelverwerkingsfunctionaliteiten om continue druppelmanipulatiedoelstellingen te bereiken. De robots benaderen bijvoorbeeld autonoom waterdruppels door middel van rollende bewegingen, geven specifieke volumes dochterdruppeltjes af, transporteren deze afgegeven dochterdruppeltjes om samen te smelten met andere druppels, en vergemakkelijken uiteindelijk een snelle menging van druppels met verschillende componenten door middel van roeren. Deze multifunctionele integratie van druppelmanipulatie strekt zich naadloos uit tot op nanoliterschaal.

In een proof-of-concept-demonstratie hebben de robots, na oppervlaktemodificaties, met succes de extractie en zuivering van nucleïnezuren tot stand gebracht.

Samenvattend maken magnetisch reagerende Janus-origami-robots druppelmanipulatie op meerdere schaal mogelijk, wat aanzienlijke implicaties heeft voor de nauwkeurige afgifte van reagentia, microdruppelpatronen en snelle microdruppelreacties op diverse gebieden, zoals fijne chemische technologie, medische diagnostiek en microfluïdische technologieën.