可編程電場無需固定的微流體設(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)的研究人員開發(fā)出一種接口,無需制造實際設(shè)備即可創(chuàng)建 “虛擬分揀納米機(jī)器”。通過將電子束投射到氮化硅薄膜上,他們產(chǎn)生了可編程電場,其功能類似于微流控設(shè)備–通過微觀通道移動極少量液體的系統(tǒng)。這使他們能夠在任何需要的位置和時間移動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。新方法通過創(chuàng)建可立即移動或重新配置的臨時、可編程電場模式,消除了這一限制。這樣就能對 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)電場模式投射到帶有 GO 片的溶液上時,有兩種力同時起作用,但方向相反:電滲流將 GO 片拉向電場模式,而電泳斥力則將它們推開。產(chǎn)生這種運動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,從而使它們在受到電場排斥時移動得更快。研究人員測量了不同大小的 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),無需復(fù)雜的預(yù)制微流體設(shè)備。
動態(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。較小的薄片移動速度更快,因為它們的表面電荷質(zhì)量比更高: 資料來源:Sasaki 和 Hoshino,2025 年
研究人員能夠通過改變電場模式來改善對石墨烯薄片的控制。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;還制作了移動的半圓圖案,在溶液中將石墨烯片推向不同的方向。(點擊此處觀看視頻: 通過電場發(fā)出的環(huán)形圖案和半圓圖案來分揀氧化石墨烯薄片。圖片來源:Sasaki 和 Hoshino,2025 年)
“這項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 評論道?!拔覀儸F(xiàn)在不再需要制造復(fù)雜的微流體設(shè)備,而是可以對虛擬納米機(jī)器進(jìn)行編程,使其按需出現(xiàn)并發(fā)揮作用。這樣就可以實現(xiàn)無材料制造,通過可編程力場進(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 教授強調(diào),這項技術(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。“他解釋說:”例如,如果發(fā)生工業(yè)泄漏,可以開發(fā)這種技術(shù),在現(xiàn)場部署,對GO片進(jìn)行分揀,以最佳方式清除污染物,而不是先將材料運輸?shù)皆O(shè)施中。
這項題為 “通過電子束處理局部電泳對氧化石墨烯薄片進(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。