因能通過物理場以非接觸的方式操控微粒、液滴和生物樣品，光鑷、電場操控等技術在化學反應、微納機器人和生物醫學等領域得到了廣泛應用。特別是電潤濕和靜電鑷等電場操控技術，因能產生強大可調的電場并實現高時空分辨的物體操控而備受關注。然而，這類電場操控技術通常需要預先設計的復雜電極陣列和外接電源，因此在實際應用中面臨靈活性低和適應性差的挑戰。
7月25日，中國科學院深圳先進技術研究院智能醫用材料與器械研究中心杜學敏研究員團隊在自供能靜電鑷及物體操控方面取得重要研究進展，相關成果以“Self-powered electrostatic tweezers for adaptive object manipulation”為題，發表在Cell Press旗下旗艦期刊Device上。該靜電鑷基于聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P（VDF-TrFE））基電極摩擦過程中的電荷累積和動態調控能力，為氣、液、固等多種材質物體的精準操控提供了前所未有的靈活性和適應性，且適用于從開放到封閉的操控體系、單個到多個物體、二維到三維的操控表面，并廣泛應用于液滴機器人、細胞組裝和無泵微流控等領域。
論文上線截圖
為解決物體操控靈活性和適應性的問題，研究團隊基于前期光誘導帶電表面材料及液滴操控的研究基礎上，成功設計出無需復雜電極陣列和外部電源的摩擦發電供能的靜電鑷（Self-powered electrostatic tweezer,?SET）。該SET由表面設計有微結構的P(VDF-TrFE)基自供能電極（Self-powered electrode，SE）、摩擦對介電襯底（Tribo-counter substrate）和潤滑表面（Slippery surface）三部分組成。
SET操控原理、設計制備及摩擦電性能
值得指出的是，P(VDF-TrFE)基電極具有優越的壓電、摩擦電能力和獨特的電荷累積功能，能通過調節電極和介電襯底表面間作用力以實時調節其表面電荷密度，可產生高達~40nC cm-2的電荷密度，且該摩擦電能力經過逾千次摩擦循環仍能穩定保持。由于自供能電極具有強大的摩擦電荷累積和調節能力，故能產生實時可調的強大靜電力，進而實現對氣泡、固體顆粒、各類液滴等不同材質物體的精準操控，最高液滴操控速度高達~353 mms-1。
SET實現高度靈活性與適應性操控
SET不僅適用于包括PMMA、石英和氧化鋁陶瓷在內的多種電介質襯底材料，而且適用于P(VDF-TrFE)和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等多種潤滑層設計，同時還適用于開放到封閉體系、手持到機械操控系統、單個物體到多個物體，以及二維到三維路徑的精準操控。SET的高度靈活性和適應性可廣泛應用于液滴分裂、液滴機器人、無泵微流控和細胞組裝等領域。SET有望為非接觸物體操控和微流體領域帶來全新的技術。
深圳先進院杜學敏研究員為該文章的通訊作者，博士研究生劉聰為第一作者。該文章獲得國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院青年創新促進會、廣東省重點、深圳市醫學研究基金等科技項目支持。
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