香港理工大学王钻开课题组最新《Science Advances》：摩擦电荷用于液体操控

研之成理

▲第一作者：徐王淮博士、靳袁凯博士

第一作者单位：香港城市大学、香港理工大学

通讯作者：王钻开教授

通讯单位：香港城市大学、香港理工大学

论文DOI：10.1126/sciadv.ade2085

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香港理工大学王钻开教授课题组提出一种新型摩擦电润湿效应（TEW），仅需机械摩擦，即可实现液体的高效、高精度和多功能运输。该研究成果以“Triboelectric wetting for continuous droplet transport”为题发表于《Science Advances》上，证明静电荷不仅可以发电，亦可驱动液体传输。摩擦电润湿效应无需额外电能输入和电极设计，可以实现各种成分、体积和阵列的液体操控，为一系列应用，例如可控化学反应和表面除雾，提供了新的技术基础。

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背景介绍

电润湿（EWOD）或微流控技术因其高时空精度和可编程化的特点，被广泛应用于光学、热学、电学以及生物医药等领域，并在液体透镜和诊断试剂盒领域实现了商业化。电润湿技术的基本机制在于通过编程底层电极调控固液界面能，以产生不对称的固液界面张力，从而控制液滴的产生、移动、分裂、合并等操作。尽管电润湿技术取得的巨大进步，这种工作机制也带来了一系列问题。电润湿液滴驱动需要液滴和下方电极之间的尺寸匹配和空间对齐以实现有效的固液界面能调控。因此，特定的电极设计仅能驱动于有限尺寸范围的液滴，而难以适用于涉及随机液滴分布的应用。同时，高效的液滴控制需要实现电路控制和液滴响应之间的高度同步，带来了实际操作的难度，而机械和电路部件的复杂集成也容易在外部振动或误操作中发生短路等问题。

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本文亮点

新型摩擦电润湿创造性地利用摩擦涂层替代金属电极，利用静电荷替代移动电荷，利用灵活的机械输入代替复杂的电输入，不仅实现了与电润湿类似的效果，同时彻底避免了对外部电输入和复杂电极的严格需求。

摩擦电润湿效应证明了摩擦电荷不仅可用于能源收集（Nature，578(7795): 392-396）,也可在各种工作条件下实现高度灵活和适应性的液体操控。

相比于其他方式，摩擦电润湿效应在性能上展现了强大的综合优势，包括高精密度、高通量、高速度（151.7 mm/s 或更快）、三维和反重力液滴传输，适用于多样化的操作环境（封闭通道或平面）和不同的基底材料（从刚性玻璃到柔性聚合物薄膜）。

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图文解析

摩擦电润湿的构造类似于电润湿，包括疏水层（氟化聚合物薄膜，FP）、介电层（基底层）和“虚拟电极”层（APTS）（图1A）。在这种设计中，由于富含给电子基团（氨基），APTS层可以通过接触起电效应来获取和存储大量的正静电荷，作用类似电润湿中的金属电极，因此被称为“虚拟电极”。表面疏水层有利于不同表面能的液滴（21.8 N/m 到72.8 N/m）的低阻力运动，而且可以和基底材料产生强黏附力，保证器件的稳定性。基底层可适用各种介电材料，当利用透明的石英、玻璃和柔性的PVC聚合物薄膜等为基底时，整个摩擦电润湿装置高度透明，可以满足一些对器件高透明度有要求的特定应用。

研究人员证明当“虚拟电极”层经外部摩擦存储电荷后，疏水表面上的液滴会展现出电润湿效应，即液滴接触角会随电荷密度的增加而减小，并且会出现和电润湿中类似的接触角饱和现象（图1B）。研究人员利用一个金属电极机械接触和单向摩擦液滴底部的“虚拟电极”层（APTS），液滴会被驱动，并和金属电极同步运动（图1C，视频1）。这种驱动方式被证明可以在水平、竖直和三维表面上对液滴进行精确运输（图1D-F，视频2）。和其他液滴驱动策略不同，在实现高的精确度的液滴传输的同时，摩擦电润湿效应无需额外的电能和其他能量输入，极大地扩充这种技术的应用范围。

▲图 1. 电润湿效应和液滴运输。

▲视频1：摩擦电效应用于液滴传输

▲视频2：摩擦电润湿的各种液滴操控

研究人员利用巧妙地实验设计，表征了液滴驱动过程中液滴的润湿前进角、后退角和固液接触线长度随时间的变化（图2A），证明了液滴在被驱动过程中的动态润湿行为，同时测量了“虚拟电极”上原位电荷的产生过程，得到其电荷密度约为40微库仑每平方米（图2B）；结合实验结果利用有限元分析，模拟出了金属电极驱动过程中实时变化的静电场和液滴表面麦克斯韦电张力分布（图2C），并计算得出了液滴整体受到的电驱动力（图2D）。研究人员证明了在机械电极的摩擦驱动下，液滴受到的驱动力大于其受到的阻力，与实验观察到的现象相符。研究人员还发现，液滴在运动过程中，会和表面疏水层的接触摩擦中获得静电荷，从而受到更大的静电驱动力，因此甚至可以被远程驱动（图2E, F）。

▲图 2. 驱动机制。

研究人员结合实验和有限元模拟分析给出了有效液滴驱动所需要的临界静电荷密度和介电层厚度（图3A），并证明了摩擦电润湿效应的耐久性（图3B），对不同“虚拟电极”层材料（例如Nylon和FEP之间摩擦电）（图3C），不同成分、大小、粘度、表面张力和数量的液滴具有普适性（图3D, E），使得摩擦电润湿效应展现出比其他技术更加全面的优越性。

▲图 3. 摩擦电润湿液滴传输的普适性。

最后，摩擦电润湿效应在一系列应用验证被证明其可靠性（视频3），包括利用液滴作为容器的微剂量化学反应（图4A），将蛋白质液滴作为货物的液滴运输（图4B）和运动液滴阵列中的液滴分选（图4C）。摩擦电润湿效应不仅在开放平面上可以有效传输液滴，在封闭管道内同样适用。研究人员证明了液滴在透明玻璃毛细管内部的液滴传输并用于化学反应（图4D）。此外，摩擦电润湿不受限于液滴大小和数目的优点可以用于表面除雾（图4E, F），相比于传统方式，此方式无需电热过程和复杂的机构设计。

▲图 4. TEW 的应用。

▲视频3：应用展示。

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总结与展望

王钻开教授课题组提出新型摩擦电润湿效应，直接利用摩擦电荷来实现可编程和精确的液体控制。无需额外能量输入，该效应能够以高速和可控的方式传输和操纵各种成分、体积和阵列的液体。摩擦电润湿效应有望在可控化学反应、表面除雾等领域得到广泛的应用。

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作者介绍

徐王淮，香港理工大学香港研资局资助博士后研究员。2020年博士毕业于香港城市大学和中国科学技术大学，主要研究固液界面水电能量转换、流体传输及应用基础研究。目前已在Nature，Science Advances，Joule，PNAS，Natl. Sci. Rev.等国际高水平期刊发表SCI论文30余篇，授权国际专利1项，国内专利1项。曾获香港青年科学家奖、美国材料协会研究生银奖、上银优秀博士论文优秀和中科院百篇博士论文等。

靳袁凯，香港城市大学博士后研究员。2021年博士毕业于香港城市大学，主要研究方向为液滴输运、界面摩擦起电机理，以及表面防冰。以第一/共一作者在PNAS，Science Advances，Angew，Matter，Droplet等国际高水平期刊发表SCI 论8篇，授权国内专利1项。

王钻开，香港理工大学协理副校长（研究及创新）及机械工程系讲座教授。2000年毕业于吉林大学并获机械工程学士学位，2003年在中国科学院上海微系统与信息技术研究所，获微电子学硕士学位，2008年获美国伦斯勒理工大学机械工程博士学位，2009年在哥伦比亚大学进行博士后研究后入职香港城市大学，曾任香港城市大学工学院副院长及仿生工程研究中心创始副主任。王教授担任Wiley出版社期刊《Droplet》的执行主编，同时亦担任10多个国际期刊的副主编和顾问编委。王钻开教授是香港青年科学院院士（创始成员），曾获得香港研究资助局高级研究学者，裘槎优秀科研者奖，中银香港科技创新奖、科学探索奖，首届青山科技奖，国际仿生学会杰出青年奖，国际文化理事会青年特别嘉奖，上银优秀博士论文指导教师奖（2016优秀奖，2019、2021银奖），香港城市大学杰出研究奖和校长奖等。在Nature、Science，Nature Physics, Nature Materials等杂志上发表论文200余篇。

研究团队还包括来自香港城市大学机械工程系的成员李万博博士、宋雨欣博士、高寿伟博士、张宝萍博士、王莉莉博士、崔苗苗博士和严咸通博士。

王钻开教授课题组主页：

https://wangzuankai.wixsite.com/wanglab