重大郭恒宇教授、上大彭艳教授、中科院纳米所王中林院士《Adv. Mater.》：摩擦电驱动的可移动式电渗流泵

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微流控系统是一个将生物/化学/医学/环境的反应、分离、检测等过程集成到一个具有设计微通道的小芯片中的实验平台，称为“芯片实验室”，已经广泛应用于各个研究领域的研究和开发。在微流控系统中微流泵是其核心元件，用于驱动和控制微流液体在芯片中工作，因此显示出重大的意义。在各种驱动装置中，电渗泵 (EOP) 与机械压力泵和热梯度驱动泵相比，由于其易于制造、流体速度恒定和高集成性等优点，被广泛应用于微流体系统。 电渗泵通常是通过改变引起电渗流 (EOF) 的双电层区域中电场的大小和方向来控制。 因此在这种情况下，必须使用外部高压 (HV) 直流电源来操纵电渗流。此外，高压电源体积大、成本高、不安全，会在电极附近形成气泡并产生焦耳热，从而影响微流效率。 这在很大程度上限制了基于电渗流的微流体系统的小型化和便携性。因此，现阶段非常需要经济、便携、安全、高效、可控的电渗泵产生高压的简便技术。

重庆大学物理学院郭恒宇教授科研团队与中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队合作在《Advanced Materials》上发表了题目为“A Mobile and Self-Powered Micro-Flow Pump Based on Triboelectricity Driven Electroosmosis”的研究论文，该论文首次报告了由摩擦纳米发电机驱动的超便携和运动控制的摩擦电电渗泵（TEOP）。在实验中，滑动模式的摩擦纳米发电机产生 ≈35 kV 的开路电压和 ≈1 μC 的短路电荷，被用作高压电源来驱动电渗泵。并且系统地表征和分析了电渗流的生产性能和摩擦电电渗泵的运行机制。结果证明摩擦纳米发电机的滑动距离和速度能够精确控制电渗流（精度：0.4nL）。单个微通道（深度：60 μm，宽度：100 μm，长度：20 mm）摩擦电电渗泵的微流量和泵压分别达到≈600 nL·min-1 和 ≈300 Pa ，同时具有低至 1.76 J cm-3·nL-1 的焦耳热。然而在相同电压下的传统高压源驱动的电渗泵流速却只有50 nL·min-1，并且产生高达8.12 J cm-3·nL-1的焦耳热。最后通过利用旋转摩擦纳米发电机，实现了恒定和连续的电渗流，并成功展示了其在微冷却系统和药物输送和混合中的应用。基于以上优势，摩擦电电渗泵在经济、便携、安全和运动控制的微流生成方面具有巨大的潜力，可以为微流体系统的多样性做出贡献。

图1.摩擦电电渗流泵的设计原型及其基本工作机制

图2.摩擦电电渗流泵的输出性能测试

图3.摩擦电电渗流泵的泵压测试

图4.摩擦电电渗流泵的潜在应用展示

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https://doi.org/10.1002/adma.202102765

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