光驱动液体弹珠用于运输和释放货物外文翻译资料

 2022-02-02 10:02

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光驱动液体弹珠用于运输和释放货物

摘要：远程控制小物体的运动本身就是一个挑战，这让我们想到通过刺激来控制整个系统。在此，我们通过液体弹珠讨论了如何封装液体，在简单的近红外光或者太阳光照射下，其可以在水面上产生运动。用光照而不是pH或者温度作为外加的刺激使得我们能够控制位置，区域，时间，方向和传递的速度。这种通过外部刺激的方法不仅能够运输封装在液体弹珠中的货物，同时也可以在特定的时间和地点释放货物。此外，研究表明液体弹珠可以作为光驱动发动机推拉物体。由于其能够通过光远程运输和推拉小物体，并且在需要的地方控制活性物质的释放，液体弹珠有着广泛的应用前景。

简介

在微米到毫米尺度上控制和推动小物体的运动是一个在研究中很吸引人的课题，它的实现可能在微流体和药物传递领域中得到应用。界面化学，例如化学反应，溶解和表面张力梯度以及外部刺激对推动小物体的移动至关重要。例如，过氧化氢的催化分解被广泛用为移动胶体粒子的推动力。这种趣味性促进了新的研究领域，即活性软物质的发展。此外，小物体也可以通过外加电场和磁场操纵移动，尤其是马朗戈尼流，它由于表面张力梯度生成，能够猛烈地推进物体的运动。在自然界中，天牛属的甲壳虫用马朗戈尼流来推动自己在气液界面上移动。与之相似，樟脑晶体，肥皂船，可降解塑料和有机可溶解承载物，经过实验证明，它们的运动都是由于马朗戈尼推进：化学物质表面的溶解在气液界面生成了一个表面张力梯度，可以促使物体运动。最近，光致表面张力梯度已被证明可以产生强大的推进力以移动小物体，本文的目的是将物质的传输和按需释放结合在一起。

液体弹珠是一种典型的毫米尺寸的液滴，由于固体粉末吸附在气液界面而在空气之中保持稳定。液滴能够通过不同排斥液体的疏水乃至亲水粉末吸附来保持稳定。一些能够包覆液体和分散剂形成液体弹珠的材料被称为非湿润材料，一些蚜虫用蜡颗粒制造液体弹珠来操纵液体以免它们变粘。由于它们的非湿特性，液体弹珠能够轻易地在不同的物质表面移动。最近，由于液体弹珠具有能够封装功能材料的能力，在化妆品，传输和微流体，微型反应器，个人健康关注产品，传感器，加速度计，气体储存和压敏胶粘剂等领域都有相当大的应用潜力，因而引起了相当大的关注。

在这篇文章里，我们描述了用液体弹珠来实现光驱动传递物料的方法。我们的方法不仅运输了封装在液体弹珠之中的物料，而且通过外加刺激（图1a）让他们在特定的地方和时间释放。此外，液体弹珠表现为光驱动引擎。为此，液体弹珠会由于毛细作用力停驻在小的漂浮物旁。照射停留的液体弹珠会在液气界面上推动这些固体。能够远程传输和通过光推动小物体，并且按需控制活性物质的释放，这种特性开辟了广泛的可以应用的领域。这种能力在狭窄的，受限制的和难以直接进入的危险区域尤其有用，例如，在微流体或者污染的区域内运输催化剂。

图1 a.解释用液体弹珠光驱运输物料的过程。液体弹珠能够在液气界面平面上移动，并且刺激导致液体弹珠的破裂并释放出内部的物料，黑色粉末液体弹珠将近红外线的光转变为热，生成热表面张力梯度，这导致液体弹珠在气液界面的移动 b.疏水性聚吡咯粉末扫描电子显微镜图像 c.聚吡咯液体弹珠（10 micro;L）在玻璃基底上的立体显微图像 d.聚吡咯液体弹珠在液气界面上的移动 e.液体弹珠在外部刺激下的按需破裂

结果和讨论

为了让液体弹珠具有光驱传递能力，我们采用两种不同的材料聚吡咯（PPy）和炭黑（CB），作为液体弹珠的稳定剂。这两种粉末都具有光热性质。聚吡咯通过硬脂酸作为表面改性剂进行疏水处理，硬脂酸通过羧酸和聚吡咯的阳离子间的静电相互作用而吸附在在聚吡咯粉末的表面。聚吡咯由直径大约350 nm，形状随机的粒子组成。所使用的炭黑粉是疏水性的，由微米到毫米的不定形的絮团组成。这些絮团由直径100 nm左右的粒子组成。水滴在聚吡咯和炭黑粉末上的静态接触角分别是124plusmn;2℃和139plusmn;1℃，这证明了这些粉末的疏水性。为了证明他们的光热性质，将聚吡咯和炭黑块状粉末置于近红外射线下（808 nm；点径1 mm X 5 mm；输出电压 200 mW），并且对温度和时间之间的函数关系进行了热力学的分析。当块状粉末被照射时，聚吡咯和炭黑的温度快速升至1000℃以上之后逐渐降低并分别稳定在350℃和600℃左右。因此，可以认为黑色的粉末将近红外射线的能量有效的转变为热能。经过计算，聚吡咯和炭黑的能量转换系数都为7%左右。作为对照，块状聚四氟乙烯（PTFE）粉末在同样的条件下用近红外线照射。相较于黑色粉末而言，无论近红外线光照时间长短，PTFE粉末的温度始终保持在22℃左右，这表明PTFE不具有光热性质。

单个的液体弹珠通过10 micro;L（直径为2.7 mm）的液体滴在黑色粉末上制备而成。聚吡咯和炭黑粉末都会立刻包覆在水滴表面并使它们呈现出疏水和非湿润特性。对于聚吡咯和炭黑系统，粉末和水的质量比都为1比99。一旦转移到水浴的气-液界面上，液体弹珠可以在超过10小时保持完整。这种在气-液界面的稳定性表明了液体弹珠内的水滴被疏水性的粉末和气隙很好的屏蔽了。他们不会与水浴界面的液体直接接触。为了让液体弹珠在气-液界面上按需移动，由在界面上液体弹珠与近红外射线的接触线通过手动调节使接触角为45°。液体弹珠立刻在界面上远离点辐射源移动。曝光的时间大约是几百毫秒。在1d中，一个包着聚吡咯的液体弹珠被放入一个装满水的培养皿中。在辐射下追踪弹珠的运动（用红线强调，黑色的箭头表示方向）。为了更深入理解运动过程，利用热像仪研究了辐照后的热分布。图2a对在气-液界面上一个炭黑包覆的液体弹珠进行了典型的热力学快照。在时间（t）为0时，液体弹珠周围的水处于热平衡状态。在近红外射线照射下（t=0.96s和t=1.92s），最热的点是射线的中心，这个点同时也是异向热流的中心。热剖面，温度与位置，通过移动的路线分析（t=2.88s）。图2b中被近红外线辐射的液体弹珠温度为35–40℃以上并且可以识别热踪迹。对比于液体弹珠周围的大量水（T=18℃）温度大约为30℃。温度的差别导致表面张力Delta;gamma;asymp;2 mN m-1d的区别，在液体弹珠受辐照的一侧表面熵s =minus;dgamma;/ dT =minus;0.16 mN(K m)minus;1。这种表面张力的差使液体弹珠移动。

图2 a.光驱动炭黑液体弹珠（直径1.8 mm）热像图观测的快照。在t = 0时，液体弹珠处于热平衡。近红外射线导致液体弹珠的剧烈加热和移动（t =0.96–4.86 s）；b. 在t = 2.88 s处沿白色虚线沿箭头方向从a得到的温度曲线。红色箭头表示激光照射的液体弹珠的位置；c，d.分别代表图1d中聚吡咯液体弹珠在液气界面移动的速度和加速度，黄色阴影区域代表激光照射的时间周期。

下一步，我们试图探究液体弹珠的生成力和做功的关系，首先，移动的方程：

m,Delta;gamma;,w,zeta;和v分别是质量，表面张力差，辐射区域宽度，水和液体弹珠之间的摩擦系数，液体弹珠的速度。方程右边第一项表示近红外温度导致的表面张力梯度提供给给液体弹珠的推进力，第二项是液体弹珠和水间的摩擦。如图1d，改变近红外射线的方向也会改变液体弹珠的移动方向。S5反应了这种行为，随着追踪长度与时间的变化而变化。如2c，d中，运动的速度和加速度分别通过长度和速度的变化而得到。结果是，最大速度和加速度分别是2.7times;10minus;2m.s-1和0.17m.sminus;2,生成力约为1.8 micro;N(液体弹珠的质量为9times;10minus;6 kg)。计算出来的力和最大马朗戈尼力的估计值相吻合。运动的最大速度和加速度的不同被发现是由于各自使用的激光枪不同。这个差异是近红外光线的位置和液体弹珠黑色粉末层的厚度不同导致的。同时，液体弹珠由于重复多次的辐射会造成水表面温度的波动，这也可能会导致温度的变化。假设一边的表面张力比另一边高Delta;gamma;= 2 mN mminus;1，毛细力约为2RDelta;gamma;。对于半径为1.2mm的液体弹珠，毛细力约为5micro;N，在图6S中力与路径长度可估算出最大功为4.9 nJ。获得的力和功比生成力和由动素产生的功大得多。通过一个基于含有聚四氟乙烯（PTFE）粉末液体弹珠的实验，我们证实了液体弹珠在移动中的稳定性需要粉末的光热性来实现。在辐射下，热像仪下PTFE包裹的液体弹珠并没有明显的温度梯度，并且这种粒子也没有光驱动移动。

少量催化剂和试剂的运输和靶向释放目前引起了广泛的兴趣。液体弹珠是运输和释放这类药剂的合适的选择。液体弹珠破裂的时间可以通过外在刺激控制，例如有机溶剂，pH,温度，光和磁场，并且可以根据情况选择合适的刺激。在这里，我们展现了光驱运动和按需破坏之间的联系。为了证实这一点，光热驱动的黑色液体弹珠分别通过三种刺激实现特定释放，分别是pH，异丙醇烟雾和连续激光消融。为了得到pH响应的黑色液体弹珠，用炭黑和聚苯乙烯乳胶粒子覆盖一滴水滴，这些粒子携带聚[2-(二乙基胺基)甲基丙烯酸乙酯]（PS-PDEA）。这种液体弹珠是稳定的，并且可以在一个中性/气液基本平面的上通过辐射移动。当水变成酸性，由于PS-PDEA粒子质子化作用和PDEA绒毛的水合作用，PDEA逐渐远离液体弹珠表面，因而该粒子表现出亲水性。此外，黑色液体弹珠当选择性的暴露在异丙醇气体时破碎。里层液滴吸收异丙醇气体导致表面张力的减少，因而导致液体弹珠稳定性的降低。黑色液体弹珠也能通过控制暴露在辐射下的时间来移动和选择性破裂。正如之前提到的，在角为45°三相接触线处的辐射可促使液体弹珠的移动，照射时间一般少于1秒。通过选择一个90°角的射线，即，从顶部照射或静态捕捉大理石运动时，液体弹珠相同表面积区域会被连续辐射和烧蚀（几十秒），在这段时间内，粉末的絮体分离直到液体弹珠变得不稳定并且破裂，如图3所示。举个例子，液体弹珠的按需和现场破裂可以用于液体中的重离子检测，包含0.5mol KSCN(aq)的液体弹珠制备并且转移到了0.01 molFeCl3(aq)的界面。通过激光辐照，液体弹珠被指引到PTFE附近平板的顶部。在这里，液面的高度选择略高于PTFE梯形，并且由于其疏水性形成了有限的接触角。因此，这个梯形的上表面暴露与空气接触，并且气液界面扭曲。一旦液体弹珠离梯形足够近(asymp;1–1.5 cm)，两者之间的横向毛细管力就会吸引液体弹珠，并且液体弹珠会在没有辐照的情况下移向并停留在PTFE梯形之上。在这种情况下，液体弹珠主要在固态基底上，并且不能通过辐射移动得更远。当被捕捉的液体弹珠不断被辐照，聚吡咯的絮体部分从它的表面或者平滑面移开，并且由于聚吡咯的热分解和水的汽化，产生肉眼可见蒸汽和烟。不到20秒，液体弹珠破裂并且内部血红色的硫氰化铁立刻出现，证实了在我们预期的地方附近存在Fe3 (aq)，即PTFE梯形。我们预期使用可调功率的射线更容易的实现运动/破裂过程，通过使用低功率运动和高功率按需破裂。

黑色液体弹珠被用作通用的光驱动发动机，用来拖或者推物体。不同形状的塑料船展现了他们拖拽物体的能力。单个的液体弹珠由光指引到接近小船。我们展示了一个由黑色液体弹珠驱动的小船，它能拉着复数液体弹珠通过气液界面。这艘船两边有支架，里面装有7个包覆染色的水的液体弹珠，可以通过射线照射船中心的黑色液体弹珠而线性移动。单个黑色液体弹珠在辐照下可以移动1.4 g以上的负载，相当于其自身重量的150倍以上。承载多个液体弹珠的塑料小船最大速度和最大加速度分别为1.57 times; 10-2m/s-1和 2.9 times; 10-2 m/s-2。这些值比单个的液体弹珠要小。最大的力经计算为12.3 micro;N，和单个液体弹珠的值相近。更小的加速度是因为相近的力下船的质量更大。最大的功估计为55 nJ。

图3.解释液体弹珠在气液界面a.传输b.固定c.按需破裂和释放物料的示意图（从聚吡咯液体弹珠得到的数据），可以通过在水膜中引入不均匀实现液体弹珠的固定，在毛细管力的作用下临近的液体弹珠被吸引；解释了抓捕和破裂的光学图像；d.近红外线照射使液体弹珠靠近PTFE引脚，由于侧向毛细管力的作用而被吸引到引脚上；e.液体弹珠绑定到引脚；f，g.按需破裂:f.近红外激光辐照(18 s)烧蚀液体弹珠；g. 液体弹珠破裂，释放0.5 mol/L KSCN(aq)。水中含有Fe3 (aq)，靠近液体弹珠破裂部位的水由于FeSCN3的形成而立即变成血红色

气液界面的环境条件可以通过液体弹珠有效探测：他们可以设计成气体，pH，温度，光，磁电机或者声响应性，因而能提供一种快速、低成本的探测液气界面的技术。典型的液体弹珠并不能够一次探测多种性质，因此，成功的探测需要多种不同的液体弹珠。我们设想通过在气液界面上移动小船在厘米到米距离规模的梯度上探测界面的物理化学性质。这种传感在人类直接接触而言狭窄的受限的危险的地方相当有用。

黑色液体弹珠广泛的吸收光谱允许激发波长的变化。光提供免费，廉价，不会枯竭，清洁的能量，通过放大镜聚焦的阳光可以用作可替代的光源并且提供黑色液体弹珠有效的，环保的运动。图4a和影片6展现了2个炭黑液体弹珠推动一艘装有典型试剂的船。小船承载着2 times; 60 micro;L的染色的水并且总质量为0.39g。聚焦的阳光交替地照射在每艘液体弹珠船上，这导致了船按需运动的弯曲运动。图4b显示了基于水平轴和船身倾斜角之间的关系和与时间相关的聚焦太阳光在每一个液体弹珠上的应用。阳光照射在液体弹珠左侧时，基于航行方向的装置导致船向右倾斜，反之亦然。由于牛顿第一运动定律，惯性定律，在太阳光开始照射在液体弹珠和船身角度改变之间存在一个大约2秒的延迟。通过外加一个不平衡的力改变船的运动方向会花费一定的时间。对影片的分析表明塑料小船的最大速度和最大加速度分别是1.2 times; 10-2 m/s-1和1.4 times;1

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