近日，電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院王志明教授團(tuán)隊(duì)在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》(PNAS)上發(fā)表題為“Gold Implanted Plasmonic Quartz Plate as a Launch Pad for Laser Driven Photoacoustic Microfluidic Pumps”的研究論文。通過(guò)金離子注入石英片制備了一種微流控泵，實(shí)現(xiàn)了激光實(shí)時(shí)操控宏觀流體運(yùn)動(dòng)。

基礎(chǔ)院博士后岳帥、博士生林峰和河南工程學(xué)院張秋慧副教授為共同第一作者，電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院為第一作者及第一通訊單位。電子科技大學(xué)王志明教授和美國(guó)休斯頓大學(xué)Jiming Bao教授為共同通訊作者，合作研究單位包括河南工程學(xué)院、美國(guó)休斯頓大學(xué)、美國(guó)普渡大學(xué)。

背景介紹

微泵是微流控器件的核心，在基礎(chǔ)研究和前沿技術(shù)上有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)工作原理，微泵主要可以分為兩大類：機(jī)械和非機(jī)械泵。隨著微機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)，由閥和薄膜等活動(dòng)組件構(gòu)成的微機(jī)械泵替代了宏觀尺寸的機(jī)械泵。雖然非機(jī)械微泵沒(méi)有活動(dòng)組件，但仍然需要制備微細(xì)結(jié)構(gòu)和電學(xué)接觸來(lái)產(chǎn)生熱、電、磁和超聲激勵(lì)來(lái)驅(qū)動(dòng)流體。隨著制備工藝的進(jìn)步，微泵的性能也有所提升。但是，在過(guò)去的幾十年里，其設(shè)計(jì)和工藝原理仍然幾乎沒(méi)有變化。并且，基礎(chǔ)研究的深入發(fā)展對(duì)泵的尺寸和精確控制提出了更高的要求，傳統(tǒng)的微機(jī)電泵的局限越來(lái)越明顯。

圖1：金離子注入石英片及該石英片在激光作用下產(chǎn)生的束流

圖2：移動(dòng)激光束產(chǎn)生的移動(dòng)微泵和兩束激光產(chǎn)生的雙微泵

本文亮點(diǎn)

在本工作中，王志明教授團(tuán)隊(duì)用全新的設(shè)計(jì)和工作原理制備出了一種新型的微泵。該器件沒(méi)有活動(dòng)組件或電極，因此不需要微納制備工藝。并且，該泵的尺寸、數(shù)量、位置和工作時(shí)間都可以被實(shí)時(shí)地遠(yuǎn)程及程序化控制。通過(guò)離子注入技術(shù)在石英片中注入濃度為1016/cm2的金原子，在利用我們團(tuán)隊(duì)之前發(fā)表在Science Advances上的光致超聲，激光推動(dòng)流體的原理，脈沖激光就可以實(shí)時(shí)地產(chǎn)生持續(xù)的超聲，推動(dòng)流體快速流動(dòng)（如圖1）。由于整個(gè)石英片的表面都被等離子層覆蓋，超聲波可以從其表面的任意點(diǎn)產(chǎn)生。也就是說(shuō)該石英片上的任一點(diǎn)就是一個(gè)微流泵（如圖2）。

總結(jié)與展望

該器件克服了之前光致超聲需要激光束在同一點(diǎn)產(chǎn)生超聲腔體的缺點(diǎn)。通過(guò)研究該微流泵背后的泵浦機(jī)理，探索激光、流體和超聲的相互作用，可以極大地推動(dòng)化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，甚至有望將該技術(shù)推廣進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段。由于光致超聲的原理具有普適性，大量的吸光材料如碳納米管、金納米顆粒、石墨烯、二硫化鉬、半導(dǎo)體聚合物和染料分子都有望用來(lái)產(chǎn)生光致超聲從而進(jìn)行流體控制。該研究標(biāo)志著一系列微泵的產(chǎn)生，打開(kāi)了其光流控和微流控的廣泛應(yīng)用。