可編程電場(chǎng)無(wú)需固定的微流體設(shè)備就能分揀氧化石墨烯，這有可能推動(dòng)環(huán)境清潔和醫(yī)療保健的發(fā)展。
日本名古屋大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種接口，無(wú)需制造實(shí)際設(shè)備即可創(chuàng)建 “虛擬分揀納米機(jī)器”。通過(guò)將電子束投射到氮化硅薄膜上，他們產(chǎn)生了可編程電場(chǎng)，其功能類似于微流控設(shè)備–通過(guò)微觀通道移動(dòng)極少量液體的系統(tǒng)。這使他們能夠在任何需要的位置和時(shí)間移動(dòng)納米材料并按其大小進(jìn)行分類。
科學(xué)家們使用的氧化石墨烯（GO）是一種只有一個(gè)原子厚的碳材料。它的特性和細(xì)胞相互作用因薄片大小而異，因此尺寸分揀方法非常重要。傳統(tǒng)方法需要具有固定結(jié)構(gòu)的復(fù)雜預(yù)制微流體設(shè)備。新方法通過(guò)創(chuàng)建可立即移動(dòng)或重新配置的臨時(shí)、可編程電場(chǎng)模式，消除了這一限制。這樣就能對(duì) GO 片進(jìn)行精確分揀，然后根據(jù)其尺寸特性捕獲污染物、溶劑和生物分子。
當(dāng)電場(chǎng)模式投射到帶有 GO 片的溶液上時(shí)，有兩種力同時(shí)起作用，但方向相反：電滲流將 GO 片拉向電場(chǎng)模式，而電泳斥力則將它們推開(kāi)。產(chǎn)生這種運(yùn)動(dòng)的原因是不同大小的 GO 片的表面電荷與質(zhì)量之比不同。
較小的 GO 片的總電荷較少，但它們的質(zhì)量和體積也明顯較小。這使得它們的表面電荷質(zhì)量比更高，從而使它們?cè)谑艿诫妶?chǎng)排斥時(shí)移動(dòng)得更快。研究人員測(cè)量了不同大小的 GO 片（5-50 μm2）的速度，發(fā)現(xiàn)隨著片大小的減小，排斥速度也成比例地增加。這樣，他們就能在特定位置按大小分離薄片，并創(chuàng)建虛擬分揀納米機(jī)器，這種機(jī)器可按需出現(xiàn)，無(wú)需復(fù)雜的預(yù)制微流體設(shè)備。
動(dòng)態(tài)氧化石墨烯分揀概述：（a）系統(tǒng)利用氮化硅膜上的電子束產(chǎn)生電場(chǎng)模式，從而在氧化石墨烯薄片上產(chǎn)生相反的力。(b) 氧化石墨烯薄片在溶液中的起始狀態(tài)。(c) 中間步驟，顯示氧化石墨烯薄片被電滲流拉向圖案。(d) 最后階段，在電泳斥力的作用下，不同大小的薄片以不同的速度遠(yuǎn)離圖案。較小的薄片移動(dòng)速度更快，因?yàn)樗鼈兊谋砻骐姾少|(zhì)量比更高： 資料來(lái)源：Sasaki 和 Hoshino，2025 年
研究人員能夠通過(guò)改變電場(chǎng)模式來(lái)改善對(duì)石墨烯薄片的控制。例如，他們制作了周期性變化的不同環(huán)形圖案，以改善不同大小的石墨烯片之間的分離；還制作了移動(dòng)的半圓圖案，在溶液中將石墨烯片推向不同的方向。(點(diǎn)擊此處觀看視頻： 通過(guò)電場(chǎng)發(fā)出的環(huán)形圖案和半圓圖案來(lái)分揀氧化石墨烯薄片。圖片來(lái)源：Sasaki 和 Hoshino，2025 年）
“這項(xiàng)研究代表了納米材料加工領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變，”博士生兼第一作者 Ken Sasaki 評(píng)論道。“我們現(xiàn)在不再需要制造復(fù)雜的微流體設(shè)備，而是可以對(duì)虛擬納米機(jī)器進(jìn)行編程，使其按需出現(xiàn)并發(fā)揮作用。這樣就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)材料制造，通過(guò)可編程力場(chǎng)進(jìn)行機(jī)械加工。
名古屋大學(xué)微納機(jī)械科學(xué)與工程系的 Takayuki Hoshino 教授強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)技術(shù)在環(huán)境修復(fù)和醫(yī)療保健應(yīng)用方面具有巨大潛力?！八忉屨f(shuō)：”例如，如果發(fā)生工業(yè)泄漏，可以開(kāi)發(fā)這種技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)部署，對(duì)GO片進(jìn)行分揀，以最佳方式清除污染物，而不是先將材料運(yùn)輸?shù)皆O(shè)施中。
這項(xiàng)題為 “通過(guò)電子束處理局部電泳對(duì)氧化石墨烯薄片進(jìn)行尺寸分餾 ”的研究于2025年4月27日發(fā)表在《膠體與表面A：物理化學(xué)與工程方面》（Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects）雜志上，DOI：doi.org/10.1016/j.colsurfa.2025.137056。