Pinze elettrochimiche basate sulla regolazione delle forze superficiali per applicazioni in micro

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7885 (2023) Citare questo articolo

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Gli approcci esistenti alla manipolazione robotica spesso si basano su dispositivi meccanici esterni, come dispositivi idraulici e pneumatici o pinze. Entrambi i tipi di dispositivi possono essere adattati ai microrobot solo con difficoltà e ai nanorobot non tutti. Qui presentiamo un approccio fondamentalmente diverso che si basa sulla regolazione delle forze superficiali agenti stesse piuttosto che sull'applicazione di forze esterne tramite pinze. La regolazione delle forze si ottiene mediante il controllo elettrochimico dello strato diffuso di un elettrodo. Tali pinze elettrochimiche possono essere integrate direttamente in un microscopio a forza atomica, consentendo procedure di "pick and place" tipicamente utilizzate nella robotica macroscopica. A causa dei bassi potenziali coinvolti, piccoli robot autonomi potrebbero anche essere dotati di queste pinze elettrochimiche che saranno particolarmente utili nella robotica morbida e nella nanorobotica. Inoltre, queste pinze non hanno parti mobili e possono essere incorporate in nuovi concetti di attuatori. Il concetto può essere facilmente ridimensionato e applicato a un’ampia gamma di oggetti, come colloidi, proteine e macromolecole.

La robotica è una tecnologia chiave per il ventunesimo secolo. Attualmente, i robot gestiscono oggetti su scale di lunghezza che vanno da pochi metri fino a pochi micrometri. Ridurre le scale di lunghezza, che sono normalmente accessibili mediante approcci robotici, sarebbe di grande importanza per la nanotecnologia e la medicina. A tal fine, negli ultimi anni sono stati perseguiti vari approcci micro e nanorobotici. Quando raggiungono il dominio colloidale, cioè pochi micrometri e meno, le forze superficiali iniziano a diventare sempre più importanti per la robotica e concetti consolidati del mondo macroscopico non possono più essere applicati1,2,3,4,5,6,7, 8. In particolare, il processo di 'pick and place', cioè il complesso processo di presa, prelievo e successivo rilascio di un oggetto in una posizione definita, diventa sempre più difficile da implementare9,10. A causa dell'onnipresente attrazione di van der Waals (vdW) e delle forze capillari1,11, piccoli oggetti aderiscono irreversibilmente alle superfici. Pertanto, le pinze (cfr. Fig. 1a,b), uno strumento comune alla robotica macroscopica, diventano fortemente limitate nella loro funzione su piccole lunghezze, anche se dotate di modifiche superficiali appositamente progettate 11,12,13. Nonostante i recenti progressi nello sviluppo di nuovi sistemi di attuatori14,15 che consentirebbero in linea di principio un’ulteriore miniaturizzazione delle pinze, i limiti fisici imposti dalle forze superficiali rimarranno in vigore. L’introduzione di nuovi approcci che si basano sulla manipolazione delle forze superficiali stesse piuttosto che sull’ottimizzazione degli strumenti del mondo macroscopico rappresenta un passo importante per estendere i processi di manipolazione robotica alla scala micro e nanometrica. In tal modo sarà possibile preservare processi di manipolazione consolidati come il "pick and place" per la manipolazione di particelle colloidali e macromolecole.

Principi di manipolazione robotica dalla macro alla nanoscala. (a) Robot macroscopico a 6 assi dal design "classico". (b) Attacco di presa per il robot macroscopico e (c) ventosa, rispettivamente. (d) Un'analoga piattaforma robotica per la micromanipolazione (qui, in combinazione con un microscopio elettronico a scansione, SEM). (e) Pinza per la suddetta piattaforma di micromanipolazione, che consente la manipolazione di particelle colloidali. (f) Un equivalente di una ventosa che può essere combinata con un microscopio a forza atomica (AFM). L'inserto mostra un cantilever AFM cavo microfluidico con un'apertura di 2 μm di diametro che può essere collegato direttamente a un controller nanofluidico. (g) La punta di un cantilever AFM rispetto all'occhio di una mosca in SEM. (h) Esempio di nanomanipolazione applicando forze di taglio mediante AFM per spostare le particelle in punti definiti sul campione. (i) Le singole fasi di manipolazione rispettivamente per "prelevare", "posizionare" e "rilasciare" sono illustrate da una mano umana su scala macroscopica. (j) Estendere il concetto di "pick" e "place" al dominio colloidale e oltre: invece di applicare pressione meccanica, le forze di interazione vengono sintonizzate esternamente. Il verde indica interazioni attraenti (cioè equivalenti a 'presa'), mentre il rosso indica interazioni repulsive (cioè equivalenti a 'rilascio').

+ 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>

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