Pinças eletroquímicas baseadas no ajuste de forças superficiais para aplicações em micro

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7885 (2023) Citar este artigo

794 Acessos

1 Altmétrico

Detalhes das métricas

As abordagens existentes para a manipulação robótica baseiam-se frequentemente em dispositivos mecânicos externos, tais como dispositivos hidráulicos e pneumáticos ou pinças. Ambos os tipos de dispositivos podem ser adaptados a microrrobôs apenas com dificuldades e nem todos a nanorrobôs. Aqui, apresentamos uma abordagem fundamentalmente diferente que se baseia no ajuste das próprias forças superficiais atuantes, em vez de aplicar forças externas por meio de garras. O ajuste das forças é obtido pelo controle eletroquímico da camada difusa de um eletrodo. Essas pinças eletroquímicas podem ser integradas diretamente em um microscópio de força atômica, permitindo procedimentos de “escolha e colocação” normalmente usados em robótica macroscópica. Devido aos baixos potenciais envolvidos, pequenos robôs autônomos também poderiam ser equipados com essas garras eletroquímicas que serão particularmente úteis em robótica leve, bem como em nanorobótica. Além disso, essas garras não possuem partes móveis e podem ser incorporadas em novos conceitos de atuadores. O conceito pode ser facilmente reduzido e aplicado a uma ampla gama de objetos, como colóides, proteínas e macromoléculas.

A robótica é uma tecnologia chave para o século XXI. Atualmente, os robôs manuseiam objetos em escalas de comprimento que vão de metros até alguns micrômetros. Diminuir as escalas de comprimento, que são rotineiramente acessíveis por abordagens robóticas, seria de grande importância para a nanotecnologia e a medicina. Para estes meios, várias abordagens micro e nanorobóticas foram adotadas nos últimos anos. Ao atingir o domínio coloidal, ou seja, de poucos micrômetros e menores, as forças superficiais começam a se tornar cada vez mais importantes para a robótica e conceitos bem estabelecidos do mundo macroscópico não podem mais ser aplicados1,2,3,4,5,6,7, 8. Em particular, o processo de 'escolher e colocar', ou seja, o complexo processo de agarrar, pegar e subsequentemente soltar um objeto em uma posição definida torna-se cada vez mais difícil de implementar9,10. Devido à atração onipresente de van der Waals (vdW) e às forças capilares1,11, pequenos objetos aderem irreversivelmente às superfícies. Assim, as garras (cf. Fig. 1a, b), uma ferramenta comum à robótica macroscópica, tornam-se severamente limitadas na sua função em pequenos comprimentos, mesmo quando equipadas com modificações de superfície especificamente concebidas 11,12,13. Apesar dos recentes avanços no desenvolvimento de novos sistemas de atuadores14,15 que permitiriam, em princípio, uma maior miniaturização das garras, os limites físicos impostos pelas forças superficiais permanecerão em vigor. A introdução de novas abordagens que dependem da manipulação das próprias forças superficiais, em vez da otimização de ferramentas do mundo macroscópico, representa um passo importante para estender os processos de manipulação robótica à baixa escala micro e nanométrica. Assim, será possível preservar processos de manipulação estabelecidos como 'pick and place' para manusear partículas coloidais e macromoléculas.

Princípios de manipulação robótica de macro a nanoescala. (a) Robô macroscópico de 6 eixos em design 'clássico'. (b) Acessório de garra para o robô macroscópico e (c) tampa de sucção, respectivamente. (d) Uma plataforma robótica análoga para micromanipulação (aqui, em combinação com um microscópio eletrônico de varredura, SEM). (e) Garra para a referida plataforma de micromanipulação, que permite o manuseio de partículas coloidais. (f) Um equivalente a uma ventosa que pode ser combinada com um microscópio de força atômica (AFM). A inserção mostra um cantilever AFM oco microfluídico com uma abertura de 2 μm de diâmetro que pode ser conectado diretamente a um controlador nanofluídico. (g) A ponta de um cantilever AFM em comparação com o olho de uma mosca em SEM. (h) Exemplo de nanomanipulação aplicando forças de cisalhamento por AFM para mover partículas para locais definidos na amostra. (i) Etapas únicas de manipulação para 'escolher', 'colocar' e 'liberar', respectivamente, são ilustradas por uma mão humana na escala macroscópica. (j) Estendendo o conceito de 'escolher' e 'colocar' para o domínio coloidal e além: em vez de aplicar pressão mecânica, as forças de interação são sintonizadas externamente. Verde indica interações atrativas (isto é, equivalente a 'agarrar') e vermelho indica interações repulsivas (isto é, equivalente a 'soltar').

+ 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>