水是人類賴以生存的自然資源，應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。近些年，微量水的圖案化和流動(dòng)控制，在材料科學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。

“抽刀斷水水更流”？不，是“激光切水出圖案”！9月1日記者獲悉，西安交通大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)合作提出“激光切水”的新技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了這一想法，為 “水”的應(yīng)用提供了新的思路。

激光切割“水餅”制造的各種圖案。

用激光實(shí)現(xiàn)對(duì)水的切割和加工

如何“馴服”水并為人們所用，自古以來(lái)就是一門學(xué)問(wèn)。切割水，在人們眼中是一件不可思議的事情，正如唐代詩(shī)人李白的著名詩(shī)句：“抽刀斷水水更流，舉杯消愁愁更愁?！敝蟹从车模鳛橐环N無(wú)序性的流體，難以通過(guò)傳統(tǒng)方法進(jìn)行塑性和切割。

當(dāng)下，控制微量水形貌和流動(dòng)的主要手段是預(yù)先加工固體通道。但由于水的無(wú)序性和流動(dòng)性，精準(zhǔn)加工水仍存在挑戰(zhàn)。激光切割作為一種利用光熱效應(yīng)加工固體材料的技術(shù)，可否實(shí)現(xiàn)水的切割和加工呢？

基于以上想法，西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李菲教授課題組與西北工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院李曉光副教授課題組合作，駕馭被稱為“最快的刀”——激光，采用激光加工技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)水的流動(dòng)性和表面張力特性，實(shí)現(xiàn)了“激光切水”的想法，將“抽刀斷水”變成了現(xiàn)實(shí)。

該團(tuán)隊(duì)首先用疏水性的二氧化硅納米顆粒包覆在水的表面，構(gòu)建了厚度為亞毫米級(jí)的“水餅”，隨后用激光對(duì)該“水餅”實(shí)施切割，成功實(shí)現(xiàn)了“激光切水”的構(gòu)想，并制造出了多種“圖案”。

追溯“水餅”能被切割的原因

為什么激光能神奇地切開水呢？團(tuán)隊(duì)科研人員介紹，“水餅”可被激光切割的原因主要有兩個(gè)：第一，“水餅”表面的二氧化硅納米顆粒對(duì)波長(zhǎng)為10.6微米的紅外激光具有較強(qiáng)吸收，經(jīng)過(guò)激光照射，二氧化硅納米顆粒吸收激光能量將其轉(zhuǎn)換為熱量用于水的汽化；第二，當(dāng)局部的水被汽化后，水的流動(dòng)會(huì)帶動(dòng)表面的二氧化硅納米顆粒進(jìn)一步將暴露的水面覆蓋，進(jìn)而阻止了水的“愈合”過(guò)程。

李菲介紹，團(tuán)隊(duì)還通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了水的體積對(duì)“水餅”面積，“水餅”厚度對(duì)切割可行性及“水餅”厚度、激光掃描速度對(duì)加工精度等影響，得到了優(yōu)化后的“激光切水”實(shí)驗(yàn)參數(shù)。隨后，應(yīng)用激光切割機(jī)成功加工出包括十字交叉通道、分散型通道等常用的微流控芯片，證實(shí)了“激光切水”加工復(fù)雜微流控結(jié)構(gòu)的能力，并確定“激光切水”加工的微流控芯片最小可達(dá)350 微米。

“激光切水”制備的微流控芯片可應(yīng)用在眾多領(lǐng)域

流體操控是微流控芯片和液滴的主要應(yīng)用之一。該團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用“激光切水”加工的微流控芯片和液滴進(jìn)行了相關(guān)液體操控，證實(shí)了制備的自支撐微流控芯片和液滴的液體操控功能。

在研究過(guò)程中，基于“激光切水”加工的微流控芯片的開放性，該團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用“激光切水”加工的微流控芯片作為小型化的反應(yīng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了化學(xué)合成。例如，銅氨絡(luò)合反應(yīng)和氨基酸與水合茚三酮合成反應(yīng)?；凇凹す馇兴奔庸さ奈⒘骺匦酒耐腹庑裕瑘F(tuán)隊(duì)將其開發(fā)為生化傳感的微反應(yīng)器和比色檢測(cè)平臺(tái)，用于金屬離子、蛋白質(zhì)、尿素和核酸等生物標(biāo)志物的檢測(cè)。最后，將加工的微流控芯片作為圖案化的模具，實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬的電動(dòng)操控和圖案化水凝膠的合成，并作為藥物梯度稀釋和細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)。

通過(guò)研究，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種通過(guò)激光切割加工水的技術(shù)，通過(guò)束縛水的流動(dòng)解決了精確加工水的難題。通過(guò)激光切割水制備的微流控芯片在化學(xué)、健康、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域展示出應(yīng)用潛力。