多液滴协同驱动的液态金属泵系统，可用于药物递送和化学分析

微量液体的输送及控制对生物、化学及医学等领域具有重要的应用价值。基于电毛细效应设计的室温液态金属液滴微型泵系统对微量流体具有良好的输送功能，且结构简单、能耗低、易于操控，因此广受关注。

流量是反映泵的输送性能的重要参数。目前的微型泵系统多采用单一的圆柱形泵结构，电压及溶液浓度等对泵流量（q）的影响机理及量化关系尚不清晰，并且局限于单液滴驱动，限制了泵流量的提升。

为解决上述问题，近日，清华大学吴晓敏教授带领团队突破了传统的液态金属液滴束缚方式，并提出了多液滴协同驱动的新型液态金属方体泵系统，明晰了电压频率（f）、交流电压幅值（Vp-p）、直流偏移值（VDC）及溶液浓度（C）等对泵流量的影响机理，实现了泵流量的显著提升。该成果以“A system for fluid pumping by liquid metal multi-droplets”为题，发表在英国皇家化学会期刊Lab on a Chip上。



图1 （a）圆柱形泵结构示意图；（b）方体泵结构示意图；（c）两种泵的流量随交流电压幅值的变化  

图2 双液滴方体泵的输送性能及与单液滴方体泵的对比：（a）双液滴方体泵的最佳工作频率区域；（b）双液滴方体泵与单液滴方体泵流量随交流电压幅值的变化及对比；（c）双液滴泵流量随交流电压幅值的变化；（d）双液滴方体泵与单液滴方体泵的流量随氢氧化钠溶液浓度的变化

同时，该研究推导出了各液滴表面溶液的速度表达式以及流量与交流电压幅值、液滴数量的关系，可更好地为泵的应用提供理论指导。

图3 各液滴数量下方体泵的流量随交流电压幅值的变化  

此外，文中展示了多液滴方体泵系统在药物递送、化学分析等方面的应用潜力，并突破常规液态金属泵的固化结构限制，将泵系统分区域模块化，为泵的设计提供了新的思路，极大提升了液态金属泵的柔性多空间适用性及规模化应用。

图4 由液态金属液滴泵驱动的密闭硅胶软管内的溶液流动

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D3LC01017A

审核编辑：刘清