水是人們賴以生存的自然資源，應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。近些年，微量水的圖案化和流動(dòng)控制在材料科學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。目前，控制微量水形貌和流動(dòng)的主要手段是預(yù)先加工固體通道，但由于水的無(wú)序性和流動(dòng)性，精準(zhǔn)加工水仍存在挑戰(zhàn)。

針對(duì)以上問(wèn)題，西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院仿生工程與生物力學(xué)研究所（bebc）采用激光加工技術(shù)，并通過(guò)調(diào)節(jié)水的流動(dòng)性和表面張力特性實(shí)現(xiàn)了“激光切水”的想法。首先，用疏水性的sio2納米顆粒包覆在水的表面構(gòu)建了厚度為亞毫米級(jí)的水餅，隨后用激光對(duì)該水餅實(shí)施切割，成功實(shí)現(xiàn)了“激光切水”的構(gòu)想，并制造出了多種“水圖案”（圖1）。

圖1.（a）制備sio2納米顆粒包覆的水餅和激光切割水餅的操作程序，（b）激光切割水餅制造的各種“水圖案”。

包覆有疏水性sio2納米顆粒的水餅可被激光切割的原因主要有兩個(gè)：第一，水餅表面的sio2納米顆粒對(duì)波長(zhǎng)為10.6mm的紅外激光具有較強(qiáng)吸收。激光照射后，sio2納米顆粒吸收激光能量將其轉(zhuǎn)換為熱量用于水的汽化；第二，當(dāng)局部的水被汽化后，水的流動(dòng)會(huì)帶動(dòng)表面的sio2納米顆粒進(jìn)一步將暴露的水面覆蓋，進(jìn)而阻止了水的愈合過(guò)程（圖2a,b）。為闡述激光切割包裹sio2納米顆粒水餅的物理過(guò)程，通過(guò)理論分析和數(shù)學(xué)模擬對(duì)激光切水過(guò)程中涉及到的傳熱和液體流動(dòng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)水餅的厚度是影響激光切水過(guò)程的重要因素，包括消耗的時(shí)間、所需的激光功率和加工的精度（圖2c, d）。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了水的體積對(duì)水餅面積、水餅厚度對(duì)切割可行性及水餅厚度、激光掃描速度對(duì)加工精度等影響，得到了優(yōu)化后“激光切水”的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

圖2.（a）激光切割sio2納米顆粒包裹水餅的示意圖，（b）激光切割水餅的過(guò)程中液體流動(dòng)的示意圖，（c）激光照射點(diǎn)周圍sio2納米顆粒的溫度隨時(shí)間和位置的變化趨勢(shì)，（d）激光切割水餅的過(guò)程中水的形貌變化和溫度擴(kuò)散。

之后，他們應(yīng)用激光切割機(jī)成功加工出包括十字交叉通道、分散型通道、陣列型通道、彎曲通道、集成型通道、螺旋通道等常用的微流控芯片（圖3）。并且，激光切水加工的微流控芯片精度可達(dá)350mm（圖3c），證實(shí)了“激光切水”加工復(fù)雜微流控結(jié)構(gòu)的能力。

圖3.（a）利用激光切割sio2納米顆粒包覆的水餅制造微流控芯片的動(dòng)態(tài)過(guò)程，（b）十字交叉型芯片，（c）分散型芯片及局部放大圖，（d）放射型芯片，（e）液滴陣列型芯片，（f）單彎曲通道型芯片，（g）集成型芯片，（h）彎曲通道陣列型芯片，（i）螺旋型芯片。

應(yīng)用“激光切水”加工的微流控芯片和液滴進(jìn)行了包括液體泵送、閥、液體混合、液體梯度稀釋和分段溶液構(gòu)建等液體操控，證實(shí)了制備的自支撐微流控芯片和液滴的液體操控功能（圖4a, b）；基于加工的微流控芯片的開(kāi)放性，以其為小型化反應(yīng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了銅氨絡(luò)合反應(yīng)（圖4c）；基于微流控芯片的透光性，將其開(kāi)發(fā)為生化傳感的微反應(yīng)器和比色檢測(cè)平臺(tái)，用于金屬離子、蛋白質(zhì)、尿素和核酸等生物標(biāo)志物的檢測(cè)（圖4d-f）；最后，將加工的微流控芯片作為圖案化的模具，實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬的電動(dòng)操控和圖案化水凝膠的合成（圖4g），并作為藥物梯度稀釋和細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)（圖4h）。

圖4.（a）液滴內(nèi)的液體混合，（b）利用加工的微流控芯片實(shí)施液體梯度稀釋，（c）利用加工的微流控芯片演示銅氨絡(luò)合反應(yīng)，（d）利用加工的微流控芯片實(shí)施蛋白質(zhì)、尿素和ph檢測(cè)，（e）利用加工的微流控芯片實(shí)施金屬離子檢測(cè)，（f）利用加工的微流控芯片實(shí)施基于合成生物學(xué)的核酸傳感，（g）利用加工的微流控芯片作為合成圖案化水凝膠的模具及其應(yīng)用演示，（h）加工的微流控芯片作為藥物梯度稀釋和細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)用于藥物篩查。

該工作創(chuàng)新性地提出了一種通過(guò)激光切割加工水的策略，通過(guò)束縛水的流動(dòng)解決了精確加工水的難題，并通過(guò)理論分析、計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)探究對(duì)這一策略背后的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析。在應(yīng)用層面上，通過(guò)激光切割水制備的微流控芯片具有開(kāi)放、透明、透氣等特點(diǎn)，在化學(xué)、健康、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域展示出應(yīng)用潛力。

該工作以《基于切割納米顆粒包裹水餅的激光加工水》（“machining water through laser cutting of nanoparticle-encased water pancakes”）為題發(fā)表在《自然通訊》（nature communications）上。文章通訊作者為西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院仿生工程與生物力學(xué)研究所李菲教授和西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院李曉光副教授，第一作者為西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生牛紀(jì)成，共同作者包括西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院仿生工程與生物力學(xué)研究所徐峰教授、李心澤、劉禹霖、張超、岳可仰、周玉琳同學(xué)等，西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院為該論文的第一和通訊作者單位。該工作得到了陜西省杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目（2020jc-06）、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021sf-168）和西安交通大學(xué)青年拔尖人才和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（sy6j007，22127803hz）等項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39574-3