水往高处流：复旦团队研发新光控微流体技术 | Nature 论文推荐

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作者 Edwin Cartlidge

翻译 张奕林

审校 金庄维

（a、b）液体在光照下的运动；（c）动脉结构；（d）液晶高分子的分子结构。图片来源：论文原文

最近，中国的物理学家发明了将少量液体向上运送的新方法，并且能让液体在流动过程中拐弯！他们采用了由液晶高分子制成的微管结构，这种动脉一样的结构会在光照下改变形状。科学家们表示这一技术能够应用在光照驱动的“芯片实验室”中。

这项工作是微流体学领域的最新进展。微流体学旨在研究微量流体（~10-12升）在直径仅数毫米的管道中流动的行为。“芯片实验室”则在一片微小的基底上整合了许多这样的流管，从而将需要在试管、烧杯等传统器材上进行的实验“转移”到小得多的尺度下，反应也可能进行得更快。芯片实验室可应用于各种领域，包括医学诊断、大气痕量气体的监测等。

操纵微流体的微流控技术常需借助外部的驱动设备——如泵浦、阀门或电极——但它们都与流体发生了直接接触。根据巴黎高等师范学院（ÉcoleNormale Supérieure in Paris）的 Damien Baigl 所说，这些驱动设备使装置变得复杂、昂贵且容易失效，同时也会限制微流控装置的应用领域。另一方面，光则能以非直接接触的形式将能量传递给流体。研究人员还能在很大的波长与能级范围内对光进行调制，提供极佳的时空分辨率，生物相容性也非常好。

毛细管中的洪荒之力

尽管光有诸多益处，但在具体的器件中利用光却十分具有挑战性。方案之一是直接利用光产生的力——借助辐射压或是利用所谓的“光镊”将微小的固体颗粒束缚在液体中——但这种方法要求强度极高的激光束。另一种代替方案是借助液体粘附于其他分子时产生的毛细力。我们常常见到液体在细管中对抗重力上升，这时就是毛细力在起作用。

来自上海复旦大学的俞燕蕾教授与同事们采用了后一种方案。俞教授的团队发现，束缚在锥状管中的液滴将流向管的窄端，因为那里压强更低。因此，实验的关键在于找到一种材料，制备出能在光照下从圆柱状变为锥状的结构。具体而言，研究人员需要找到一种液晶结构，它在经历这种形变时，力学与化学性质保持稳定。

他们成功了！灵感来源于负责将血液输送出心脏的动脉，它的血管壁由肌肉层与弹性物质层交替构成（1a）。研究团队受此启发，制备了由多层液晶高分子组成的直径0.5毫米的细管，然后将细管置于LED发出的蓝光下。蓝光改变了液晶分子的取向，细管因此受到挤压，稍稍变形——管的横截面由圆形变成椭圆，横截面积也有所增加。他们进一步在沿着管长的方向上逐渐增加光强，顺利地将细管变成了锥形。

液块“三明治”

研究人员在管中将一种液体的液块夹在另一种之间，形成液块“三明治”。然后用光照射细管，他们发现可以像预想的那样让液块沿着光强减少的方向移动。他们测试了多种液体组合，包括硅油中间夹着空气（2a）、菜籽油（2b），以及用于生物医药和化学工程的更复杂液体（2c、2d）。

不同的液块“三明治”在光照下沿光强减小的方向移动，空心箭头越长代表光强越强。

图片来源：论文原文

除了水平运动，他们还能通过控制光强，让液块沿着细管以17°的仰角爬升（3a），在蛇形管（3b）、螺旋管（3c）中运动，以及让Y形管中的两块硅油液滴融合（3d）。甚至在光源与细管之间放上一块1毫米厚的瘦肉后，他们仍然能让液滴来回运动。“这些实验表明我们制备的细管有希望应用在嵌入生物组织的微流体系统中。”研究人员写道。、

硅油液滴在光照下沿光强减小的方向移动：空心箭头越长代表光强越强

图片来源:论文原文

Glasgow 大学的 Miles Padgett 一直致力于研究光镊，他也相信这一最新工作能带来重要的实际应用。“由于需要各种外部驱动设备，芯片实验室常常更像大型实验室中的一部分，”他说，“因此采用光源驱动既方便芯片整合，也能为液体混合提供充分的驱动”。这是芯片实验室发展的重要里程碑。”

Baigl 将这一工作形容为光控微流体领域的“全新概念”，并认为它“极大地扩展了这个领域可用的光学工具”。而接下来科学家们面临的挑战将是“证明实际的微流体应用可以通过这种新技术实现：由光而非外部设备进行驱动”。

这项研究发表在《自然》杂志上。

关于作者：Edwin Cartlidge 是一位常驻罗马的科学作家。

原文链接：

http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/sep/08/light-pushes-liquid-uphill

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论文基本信息：

【标题】Photocontrol of fluid slugs in liquidcrystal polymer microactuators

【作者】Jiu-an Lv, Yuyun Liu, Jia Wei, ErqiangChen, Lang Qin & Yanlei Yu

【期刊】Nature

【日期】08 September

【DOI】10.1038/nature19344

【摘要】The manipulation of small amounts ofliquids has applications ranging from biomedical devices to liquid transfer.Direct light-driven manipulation of liquids, especially when triggered bylight-induced capillary forces, is of particular interest because light canprovide contactless spatial and temporal control. However, existinglight-driven technologies suffer from an inherent limitation in that liquidmotion is strongly resisted by the effect of contact-line pinning. Here wereport a strategy to manipulate fluid slugs by photo-induced asymmetricdeformation of tubular microactuators, which induces capillary forces forliquid propulsion. Microactuators with various shapes (straight, ‘Y’-shaped,serpentine and helical) are fabricated from a mechanically robust linear liquidcrystal polymer. These microactuators are able to exert photocontrol of a widediversity of liquids over a long distance with controllable velocity anddirection, and hence to mix multiphase liquids, to combine liquids and even tomake liquids run uphill. We anticipate that this photodeformable microactuatorwill find use in micro-reactors, in laboratory-on-a-chip settings and inmicro-optomechanical systems.

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