广东
光镊、电场操控等技术因能通过物理场以非接触的方式操控微粒、液滴和生物样品，在化学反应、微纳机器人和生物医学等领域得到了广泛应用。特别是，电润湿和静电镊等电场操控技术因能产生强大可调的电场，且实现高时空分辨的物体操控而备受关注。然而，这类电场操控技术通常需要复杂的电极阵列预先设计和外部电源，因此在实际应用中面临灵活性低和适应性差的挑战。
为解决物体操控灵活性和适应性的问题，杜学敏研究团队在前期光诱导带电表面材料及液滴操控的研究基础上（Science Advances, 2022, 8(27), eabp9369; National Science Review, 2023, 10(1), nwac164; Nanoscale, 2024, 16, 8820），成功设计出了无需复杂电极阵列和外部电源的自供能静电镊（self-powered electrostatic tweezer, SET）。7月25日，相关成果以“Self-powered electrostatic tweezers for adaptive object manipulation”为题，发表在Cell Press旗下旗舰期刊Device上。该静电镊基于聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）基电极摩擦过程中的电荷累积和动态调控能力，为气、液、固等多种材料物体的精准操控提供了前所未有的灵活性和适应性，且适用于从开放到封闭的操控体系、单个到多个物体、二维到三维的操控表面，并广泛应用于液滴机器人、细胞组装和无泵微流控等领域。
文章链接：https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(24)00340-5
自供能静电镊（SET）由三个核心部件组成：（1）表面设计有微结构的P(VDF-TrFE)基自供能电极（Self-powered electrode，SE），具有优越的压电、摩擦电性能和独特的电荷累积与调控功能；（2）摩擦对介电衬底（Tribo-counter substrate），用作摩擦对材料和支撑润滑层；（3）润滑表面（Slippery surface），减少物体操控过程中的阻力及避免生物污染。SET的创新之处在于P(VDF-TrFE)自供能电极（SE）优越的压电和摩擦电性能，及在滑动摩擦过程中独特的电荷累积和易于动态调控功能，进而在目标操控物体上产生强大可调的驱动力。
图1 SET的设计
值得指出的是，P(VDF-TrFE)基电极具有优越的压电、摩擦电性能和独特的电荷累积功能，能通过调节电极和介电衬底表面间作用力以实时调节其表面电荷密度，产生高达~40 nC cm-2的电荷密度，且该摩擦电能力经过逾千次摩擦循环无明显衰减，即便在相对湿度高达50%时，SE上积累的高电荷密度可稳定保持逾5小时。
图2 SET的电荷累积和调节能力
由于自供能电极具有强大的摩擦电荷累积和调节能力，故能产生实时可调的强大静电力，进而实现对气泡、固体颗粒、各类液滴等不同材质物体的精准操控，最高液滴操控速度高达~353 mm s-1。
图3 SET的物体操控性能
SET不仅适用于包括PMMA、石英和氧化铝陶瓷在内的多种电介电衬底材料，而且适用于P(VDF-TrFE)和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等多种润滑层设计，同时还适用于从开放到封闭体系、手持到机械操控系统、单个物体到多个物体，以及二维到三维路径操控。SET的高度灵活性和适应性可广泛应用于液滴分裂、液滴机器人、无泵微流控和细胞组装等领域。SET有望为非接触物体操控和微流体领域带来全新的技术。
图4 SET在开放和封闭体系下的物体操控
中国科学院深圳先进技术研究院智能医用材料与器械研究中心杜学敏研究员为该文章的通讯作者，博士研究生刘聪为第一作者。该文章获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会、广东省区域联合基金重点项目、深圳市杰青和深圳市医学研究基金等科技项目支持。
杜学敏，国家自然科学基金优秀青年基金获得者，中国科学院深圳先进技术研究院智能医用材料与器械研究中心主任、研究员；入选中国科学院青年创新促进会优秀会员、广东省“特支计划”科技创新青年拔尖人才、深圳市杰青；被遴选为国际仿生工程学会常务委员、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、中国复合材料学会智能复合材料专业委员会委员；担任
Research
Advanced Bionics期刊的副主编，和
The Innovation
National Science Open等期刊青年编委。近年来，以负责人身份 主持国家自然科学基金优秀青年基金、国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”课题、基金委国际合作、广东省重点、深圳市杰青等项目多项，相关成果以第一及通讯作者（含共同）发表于
Science Advances
Matter
Advanced Materials
Device
ACS Nano
Advanced Functional Materials
National Science Review等期刊，已获授权专利30余项。 研究领域：智能高分子材料、生物界面、穿戴/植入生物器件（如组织工程支架、生物电子、柔性传感与驱动器等）。
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