HONG KONG SAR - Kemajuan masyarakat manusia bergantung pada berbagai teknologi untuk mengendalikan cairan. Penangkapan dan pelepasan berbagai cairan kimia dan biologi secara akurat memainkan peran penting di banyak bidang. Selalu menjadi sebuah tantangan untuk dapat secara tepat mengontrol kemampuan menangkap dan melepaskan cairan dalam ruang dan waktu, dan untuk mengontrol volume cairan secara tepat. Para peneliti di PolyU baru-baru ini menemukan metode baru yang elegan.

Profesor WANG Liqiu, Profesor Energi Cerdas dan Berkelanjutan dari Yayasan Amal Poon Letao dan Ketua Profesor Teknik Fluida dan Energi Termal di Departemen Teknik Mesin, memimpin tim untuk mengembangkan super-metamaterial unik yang dapat menangkap dan melepaskan cairan secara reversibel dengan volume yang akurat dan secara tepat teknologi untuk mengontrol distribusi spasial cairan tiga dimensi.

Terobosan ini disebut bingkai polihedral tiga dimensi yang terhubung (CPF). Ini adalah platform baru. Jaringan bingkai tiga dimensi berskala kapiler yang dihubungkan dengan batang dapat direndam dalam cairan dan diangkat ke udara untuk melakukan pekerjaan yang dapat diprogram dan diperbaiki. Menangkap dan melepaskan cairan secara reversibel. Hasil penelitian ini baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Nature Chemical Engineering. Penulis pertama makalah ini adalah Dr. ZHANG Yiyuan, Asisten Profesor (Penelitian) Departemen Teknik Mesin.

Tidak seperti di bidang manipulasi padatan yang sangat maju, penanganan cairan yang nyaman tetap menjadi tugas yang rumit meskipun cairan ada di mana-mana, misalnya, di industri perawatan kesehatan, farmasi, biologi, dan kimia. Saat cairan berinteraksi dengan alat, cairan sering kali membasahi dan menyebar pada padatan, sehingga mencegah transfer cairan secara menyeluruh, merusak akurasi volumetrik, dan menyebabkan kontaminasi silang antar sampel. Untuk menjaga kemurnian cairan, plastik sekali pakai seperti pipet dan tabung mikro digunakan secara luas, sehingga menambah masalah global limbah plastik.

Dalam sistem ini, kunci untuk mengendalikan cairan adalah bahwa CPF bertindak sebagai penangkap dan pelepas yang dapat dialihkan, sehingga cairan dalam jaringan dapat ditahan dan dikeringkan sesuai kebutuhan. Beberapa CPF dihubungkan dengan satu batang dan tidak menyediakan saluran pembuangan cairan. CPF dapat menangkap cairan dan bertindak sebagai penangkap. Sambungan lainnya disusun sebagai batang ganda, yang dapat melepaskan cairan dan disebut pelepas. Hal ini karena ketika jaringan bingkai diangkat keluar dari cairan, lapisan film cair terbentuk pada sambungan batang ganda, membentuk saluran di antara bingkai dan mendorong pelepasan cairan.

Dengan menggunakan teknik berbeda untuk menciptakan atau menghancurkan kontinuitas fluida, penangkap dan pelepas dapat dipertukarkan. Berbagai macam cairan dapat dimanipulasi dalam rangkaian CPF melalui kontrol yang presisi, sehingga dengan mudah mencapai pola fluida tiga dimensi yang dapat diprogram. Karena cairan dalam platform dapat berupa air, minyak, hidrogel, polimer, biofluida, dll., berbagai biomaterial dan bahan kimia dapat kompatibel dengan CPF.

Tim Profesor Wang merancang kerangka kerja CPF untuk memberikan vitamin B2 dan B12 untuk menunjukkan potensi teknologi dalam pelepasan multi-obat yang terkendali. Dua vitamin digunakan untuk mewakili molekul obat hipotetis, masing-masing dikemas dalam hidrogel alginat dan gom gellan, dan dilepaskan dalam larutan air. Dengan mengubah ketebalan film gel, laju pelepasan relatif kedua "obat" tersebut dapat diubah secara akurat dan terkendali.

Prinsip pengoperasian CPF berbeda dari teknologi pengambilan sampel tradisional seperti penyeka, karena CPF dapat melakukan kontak antarmuka cair-cair langsung dan mencapai efisiensi pelepasan sampel yang sangat tinggi. Keuntungan ini dikonfirmasi dalam simulasi percobaan medis: Saat menggunakan CPF untuk pengambilan sampel virus influenza, CPF dapat mendeteksi virus bahkan pada konsentrasi yang sangat rendah, sedangkan penggunaan cotton swab tidak dapat mendeteksi virus yang diencerkan.

Tim Profesor Wang menunjukkan bahwa CPF juga dapat digunakan dalam bidang enkapsulasi bakteri. Tim peneliti menggunakan CPF untuk merangkum bakteri penghasil asam asetat, yang dapat sangat meningkatkan efisiensi penggunaan bakteri penghasil asam asetat dan sangat menyederhanakan proses pemisahan produk asam asetat. Dapat dibayangkan bahwa CPF juga dapat digunakan untuk menghasilkan produk bernilai lainnya secara efisien.

Selain aplikasi medis dan mikrobiologi, tim juga menunjukkan bahwa CPF dapat diterapkan pada AC. Mereka menggunakan rangkaian CPF yang direndam sebagai prototipe pelembab udara, yang menyedot udara kering dan mengeluarkan udara lembab setelah melewatinya melalui kerangka terhidrasi. Kemampuan CPF dalam menyerap gas juga dapat digunakan untuk menangkap karbon dioksida dan berguna dalam penyimpanan karbon dioksida atau penyerapan karbon.

Fungsi penangkapan maupun pelepasan cairan CPF tidak bergantung pada struktur, komposisi bahan, dan cairan rangka. Oleh karena itu, CPF merupakan metamaterial super inovatif yang mewujudkan fungsi "ekstraksi air yang dapat dikontrol secara tepat dalam keranjang bambu" dan dapat digunakan untuk Rekayasa jaringan, skrining obat, dan manufaktur multi-bahan adalah beberapa bidang lainnya.