Электрохимические захваты, основанные на настройке поверхностных сил для применения в микротехнологиях.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7885 (2023) Цитировать эту статью

475 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Существующие подходы к роботизированным манипуляциям часто основаны на использовании внешних механических устройств, таких как гидравлические и пневматические устройства или захваты. Оба типа устройств могут быть адаптированы к микророботам лишь с трудом, а к нанороботам – не все. Здесь мы представляем принципиально иной подход, основанный на настройке самих действующих поверхностных сил, а не на приложении внешних сил с помощью захватов. Настройка сил достигается за счет электрохимического контроля диффузного слоя электрода. Такие электрохимические захваты можно интегрировать непосредственно в атомно-силовой микроскоп, что позволяет выполнять процедуры «взять и разместить», обычно используемые в макроскопической робототехнике. Из-за низких потенциалов небольшие автономные роботы также могут быть оснащены электрохимическими захватами, которые будут особенно полезны в мягкой робототехнике, а также наноробототехнике. Более того, эти захваты не имеют движущихся частей и могут быть включены в новые концепции приводов. Эту концепцию можно легко уменьшить и применить к широкому кругу объектов, таких как коллоиды, белки и макромолекулы.

Робототехника – ключевая технология XXI века. В настоящее время роботы манипулируют объектами длиной от нескольких метров до нескольких микрометров. Уменьшение масштабов длины, которые обычно доступны с помощью роботизированных подходов, будет иметь большое значение для нанотехнологий и медицины. В последние годы для этих целей использовались различные микро- и наноробототехнические подходы. При достижении коллоидной области, то есть нескольких микрометров и меньше, поверхностные силы начинают становиться все более важными для робототехники, и устоявшиеся концепции макроскопического мира больше не могут применяться1,2,3,4,5,6,7, 8. В частности, процесс «взятия и размещения», то есть сложный процесс захвата, поднятия и последующего освобождения объекта в определенном положении, становится все более и более трудным для реализации9,10. Из-за повсеместного притяжения Ван-дер-Ваальса (vdW) и капиллярных сил1,11 небольшие предметы необратимо прилипают к поверхностям. Таким образом, захваты (см. рис. 1a,b), инструмент, общий для макроскопической робототехники, становятся сильно ограниченными в своих функциях при небольшой длине, даже если они оснащены специально разработанными модификациями поверхности 11,12,13. Несмотря на недавние достижения в разработке новых исполнительных систем14,15, которые в принципе позволят обеспечить дальнейшую миниатюризацию захватов, физические ограничения, налагаемые поверхностными силами, останутся в силе. Внедрение новых подходов, которые полагаются на управление самими поверхностными силами, а не на оптимизацию инструментов из макроскопического мира, представляет собой важный шаг к расширению процессов роботизированного манипулирования на низком микро- и нанометровом уровне. Таким образом, можно будет сохранить устоявшиеся процессы манипуляций, такие как «взять и разместить» для работы с коллоидными частицами и макромолекулами.

Принципы роботизированных манипуляций от макро- до наномасштаба. (а) Макроскопический 6-осевой робот «классического» дизайна. (б) Захватное приспособление для макроскопического робота и (в) присоска соответственно. (г) Аналогичная роботизированная платформа для микроманипуляций (здесь в сочетании со сканирующим электронным микроскопом, СЭМ). (д) Захват для вышеупомянутой платформы микроманипуляции, который позволяет манипулировать коллоидными частицами. (f) Эквивалент присоски, который можно комбинировать с атомно-силовым микроскопом (АСМ). На вставке показан полый микрофлюидный кантилевер АСМ с апертурой диаметром 2 мкм, который можно напрямую подключить к нанофлюидному контроллеру. (g) Кончик кантилевера АСМ по сравнению с глазом мухи в СЭМ. (h) Пример наноманипулирования путем применения сил сдвига с помощью АСМ для перемещения частиц в определенные места на образце. (i) Отдельные этапы манипуляции для «выбора», «положения» и «высвобождения» соответственно проиллюстрированы человеческой рукой в макроскопическом масштабе. (j) Распространение концепции «выбрать» и «поместить» на коллоидную область и за ее пределы: вместо применения механического давления силы взаимодействия настраиваются извне. Зеленый цвет указывает на притягивающие взаимодействия (т. е. эквивалент «захвата»), а красный указывает на отталкивающие взаимодействия (т. е. эквивалент «освобождения»).

+ 136 mV, the adhesion force increased monotonically with increasing the applied potential. Thus, the adhesion force between the particle and the electrode on the gripper becomes larger than the ones between the particle and the substrate. Therefore, these potentials allow for ‘gripping’ or ‘picking’ a particle from the substrate as the particle will ‘stick’ to the gripper. The transition coincides with the potential of zero charge (pzc), where the electrode is practically uncharged and the long-range forces are minimal41,64. For external potentials smaller than the pzc, the diffuse layer interaction is repulsive as particle and electrode are likewise charged. For potentials above the pzc the electrode is reversing its charge to positive. In consequence the long-range forces upon approach are becoming attractive and the adhesion forces are monotonically increasing with increasing the applied potentials. A similar adhesion behavior has been reported previously for studies on flat electrodes with an analogous surface modification41. However, a direct comparison of the pzc for the electrodes prepared by FIB and flat electrodes is not possible as the different crystal surfaces of the former are leading to a shift of the pzc65,66. In particular, for surfaces subject to a FIB-treatment, this effect is highly pronounced and leads to an increased roughness67. A more detailed comparison between the two types of electrodes is given in the SI (cf. Supplementary Fig. 7). The data in Fig. 4f can be divided into a region where the external potentials are leading to a repulsive behavior and thus the ‘placing’ of a particle and a region of potential that corresponds to attractive interaction forces and thus a ‘gripping’ of particles from a substrate./p> 30) has been attributed. However, for the slightly hydrophobic silane-modified substrate (θ = 77°, cf. Fig. 4f) a success rate of about ξ = 0.2 (n=45) for successful picking of the particles from the substrate has been observed by optical microscopy. The corresponding sequence is shown in Fig. 5a. Thus, even on hydrophobic substrates, gripping of particles is possible, despite a more unfavorable partition of forces due to solvent exclusion and to diffuse layer overlap./p> 18 mΩ cm−1, Merck Millipore, Darmstadt, Germany). Ionic strength and pH of the solutions were adjusted to pH 4 and ionic strength of 0.1 mM using 1 M HCl (Titrisol, Merck, Darmstadt, Germany). All solutions were degassed for at least 60 min before the experiments and filtered using a syringe filter with a pore size of 0.22 µm (Rotilabo, Carl Roth, Karlsruhe, Germany). Methoxy(dimethyl)octylsilane, ferrocyanide, ferricyanide, 11-mercapto-1-undecanol, chloroform, potassium nitrate were purchased from Sigma Aldrich. Hellmanex III was purchased from Hellma (Mühlheim, Germany). Silver wires insulated with polyimide and a diameter of 0.125 mm were purchased from Advent (Advent research materials, Oxford, England). Ethanol of HPLC grade was purchased from Carl Roth (Carl Roth, Karlsruhe, Germany)./p>

3.0.CO;2-G" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F1521-4117%28200207%2919%3A3%3C129%3A%3AAID-PPSC129%3E3.0.CO%3B2-G" aria-label="Article reference 45" data-doi="10.1002/1521-4117(200207)19:33.0.CO;2-G"Article CAS Google Scholar /p>

Блог