水是人類賴以生存的自然資源，應用于眾多領域。近些年，微量水的圖案化和流動控制，在材料科學、化學、生物醫學等領域引起廣泛關注。

“抽刀斷水水更流”？不，是“激光切水出圖案”！9月1日記者獲悉，西安交通大學和西北工業大學科研團隊合作提出“激光切水”的新技術，并實現了這一想法，為 “水”的應用提供了新的思路。

激光切割“水餅”制造的各種圖案。

用激光實現對水的切割和加工

如何“馴服”水并為人們所用，自古以來就是一門學問。切割水，在人們眼中是一件不可思議的事情，正如唐代詩人李白的著名詩句：“抽刀斷水水更流，舉杯消愁愁更愁。”中反映的，水作為一種無序性的流體，難以通過傳統方法進行塑性和切割。

當下，控制微量水形貌和流動的主要手段是預先加工固體通道。但由于水的無序性和流動性，精準加工水仍存在挑戰。激光切割作為一種利用光熱效應加工固體材料的技術，可否實現水的切割和加工呢？

基于以上想法，西安交通大學生命科學與技術學院李菲教授課題組與西北工業大學物理學院李曉光副教授課題組合作，駕馭被稱為“最快的刀”——激光，采用激光加工技術，通過調節水的流動性和表面張力特性，實現了“激光切水”的想法，將“抽刀斷水”變成了現實。

該團隊首先用疏水性的二氧化硅納米顆粒包覆在水的表面，構建了厚度為亞毫米級的“水餅”，隨后用激光對該“水餅”實施切割，成功實現了“激光切水”的構想，并制造出了多種“圖案”。

追溯“水餅”能被切割的原因

為什么激光能神奇地切開水呢？團隊科研人員介紹，“水餅”可被激光切割的原因主要有兩個：第一，“水餅”表面的二氧化硅納米顆粒對波長為10.6微米的紅外激光具有較強吸收，經過激光照射，二氧化硅納米顆粒吸收激光能量將其轉換為熱量用于水的汽化；第二，當局部的水被汽化后，水的流動會帶動表面的二氧化硅納米顆粒進一步將暴露的水面覆蓋，進而阻止了水的“愈合”過程。

李菲介紹，團隊還通過實驗探究了水的體積對“水餅”面積，“水餅”厚度對切割可行性及“水餅”厚度、激光掃描速度對加工精度等影響，得到了優化后的“激光切水”實驗參數。隨后，應用激光切割機成功加工出包括十字交叉通道、分散型通道等常用的微流控芯片，證實了“激光切水”加工復雜微流控結構的能力，并確定“激光切水”加工的微流控芯片最小可達350 微米。

“激光切水”制備的微流控芯片可應用在眾多領域

流體操控是微流控芯片和液滴的主要應用之一。該團隊應用“激光切水”加工的微流控芯片和液滴進行了相關液體操控，證實了制備的自支撐微流控芯片和液滴的液體操控功能。

在研究過程中，基于“激光切水”加工的微流控芯片的開放性，該團隊應用“激光切水”加工的微流控芯片作為小型化的反應平臺實現了化學合成。例如，銅氨絡合反應和氨基酸與水合茚三酮合成反應。基于“激光切水”加工的微流控芯片的透光性，團隊將其開發為生化傳感的微反應器和比色檢測平臺，用于金屬離子、蛋白質、尿素和核酸等生物標志物的檢測。最后，將加工的微流控芯片作為圖案化的模具，實現了液態金屬的電動操控和圖案化水凝膠的合成，并作為藥物梯度稀釋和細胞培養平臺。

通過研究，該團隊創新性地提出了一種通過激光切割加工水的技術，通過束縛水的流動解決了精確加工水的難題。通過激光切割水制備的微流控芯片在化學、健康、材料科學和生物醫學等眾多領域展示出應用潛力。

文：西安報業全媒體記者 任娜

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編輯：小璐

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