Path-programmable water droplet manipulations on an adhesion controlled superhydrophobic surface

연구 배경

연속 흐름 미세유체 소자는 펌프, 밸브, 기계식 혼합기가 필요하고 의도하지 않은 유동 패턴, 제한된 유속, 재구성의 어려움이 있습니다. 전기습윤, 빛, 자기장, 정전기력, 유전영동으로 구동하는 액적 방식은 자성 입자 같은 첨가물이나 외부 장(場) 발생원이 필요하며, 초소수성 표면 위 액적 조작은 단순한 일부 조작에 머물러 있었습니다.

설계와 접근

끝이 둥근 마이크로 기둥(반지름 2.5 μm, 높이 4 μm, 주기 4.5 μm)을 가진 두께 275 μm의 PDMS 필름을 도데실트리클로로실란으로 코팅한 실리콘 몰드에서 한 번의 성형으로 만들었으며, 추가 처리 없이 물 접촉각(WCA) 151 ± 3°의 초소수성을 보였습니다. 필름을 홀더 위에 띄워 고정하고, 프로그램된 이송 스테이지로 움직이는 진공 팁을 아래에 두어 반구형 오목부를 당겨 만들었습니다. 늘어남과 곡률 때문에 오목부 가장자리의 양(+)의 곡률에서는 기둥 간격이 넓어지고 바닥의 음(-)의 곡률에서는 좁아집니다. Cassie-Baxter 상태의 표면에서는 접착력(Fadh)이 접촉 기둥 수에 비례하므로 가장자리의 국소 접착력이 낮고, 경사면에 의한 중력 성분이 이를 넘으면 물방울이 그곳에서 떨어져 움직이는 오목부를 따라갑니다.

평가 방법

압력 차를 −81 kPa로 고정하고 진공 팁 지름을 2~3.75 mm로 바꾸며, SU-8 음각 복제본의 단면 광학 영상과 PDMS 복제 구조의 주사전자현미경 영상으로 오목부 형상을 분석했습니다. Fadh는 기둥 간격 변형률(εdist) 0, 25, 50, 75%로 제작한 PDMS 기판에서 10 μl 물방울과 자체 제작 미세전자기계 저울로 측정했습니다. 응용으로 약 80 nm 은 나노입자를 이용한 로다민 6G(R6G) 10^-3~10^-15 M의 표면증강 라만 분광(SERS)과, 녹색형광단백질(GFP)을 표적으로 하는 리피도이드(ND98)-siRNA 복합체를 표면에서 제조해 GFP 발현 HeLa 세포를 형질감염시키는 실험을 수행했으며, 피펫으로 혼합한 복합체와 비교했습니다(유세포 분석, n = 3).

연구 내용과 주요 결과

지름 2.85 mm 팁에서 기판은 20.7% 늘어났고, 평평한 영역에서 2 μm인 기둥 간격이 양의 곡률에서 최대 49%, 음의 곡률에서 −11% 변했습니다. 팁 지름을 2 mm에서 3.75 mm로 키우면 늘어남은 약 7%에서 약 32%로 커지고, 양의 곡률 반지름의 절댓값은 약 0.8 mm에서 0.4 mm로 줄며 음의 곡률 반지름은 약 1.3 mm에서 1.8 mm로 커져 εdist를 −15~61% 범위에서 조절할 수 있었고, 측정값은 계산과 잘 일치했습니다.

εdist가 50%까지 커지면 Fadh는 67 μN에서 49 μN으로 감소했으며, 연구진은 물방울과 접촉하는 기둥 수가 줄어든 결과로 해석했습니다. 10 μl 물방울은 오목부를 따라 N자 경로로 이동했고, 물방울을 병합한 뒤 앞뒤로 움직여 완전히 혼합했으며, 지름이 큰 팁일수록 더 작은 물방울을 움직일 수 있었습니다. 오목부 가장자리와 중심의 기둥 밀도 차이는 50% 이상이었고, 조작 가능한 최소 물방울 부피는 약 7 μl였습니다.

SERS에서는 R6G와 은 나노입자 물방울을 표면에서 병합해 원위치 측정 시 검출한계가 10^-5 M이었으며, 이는 분자와 입자가 물방울 안에서 자유롭게 확산하기 때문이었습니다. 병합한 물방울을 초소수성 표면에서 증발시키자 분석물이 농축되어 비원위치 측정에서 10^-15 M까지 검출되었고, 연구진은 이를 평평한 기판의 일반 SERS보다 100배 낮은 검출한계로 보고했습니다. 혼합 물방울은 잔여물 없이 제거되어 같은 기판에서 반복 측정이 가능했습니다.

형질감염 2일 후 GFP-HeLa 세포에서 피펫으로 혼합한 복합체의 GFP 억제율은 70.0 ± 1.9%, 표면에서 물방울을 병합해 5분간 혼합한 복합체는 78.8 ± 0.5%였습니다(n = 3, p < 0.01). 초록은 이를 약 80%의 형질감염 효율로 기술합니다.

남은 과제

연구진은 PDMS 마이크로 기둥 배열에 물 접착성이 남아 있어 비원위치 SERS 검출한계가 기존 초소수성 나노센서 보고보다 낮지 못했다고 밝혔으며, 발수성이 더 큰 표면을 쓰면 분석물을 더 좁은 면적에 농축할 수 있을 것으로 제시했습니다.

다른 연구와의 연결

윤활유 주입 다공성 표면(SLIPS)은 구조화된 기판에 고정한 윤활유로 액체를 밀어내는 반면, 이 플랫폼은 물방울을 건조한 초소수성 기둥 표면 위에 두고 기판을 국소적으로 변형해 접착력을 바꿈으로써 물방울을 움직입니다.