Pinces électrochimiques basées sur le réglage des forces de surface pour des applications en micro

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7885 (2023) Citer cet article

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Les approches existantes de manipulation robotique reposent souvent sur des dispositifs mécaniques externes, tels que des dispositifs hydrauliques et pneumatiques ou des pinces. Les deux types de dispositifs ne peuvent être adaptés qu’avec difficulté aux microrobots et pas tous aux nanorobots. Nous présentons ici une approche fondamentalement différente, basée sur le réglage des forces de surface agissant elles-mêmes plutôt que sur l'application de forces externes par les pinces. Le réglage des forces est obtenu par le contrôle électrochimique de la couche diffuse d'une électrode. De telles pinces électrochimiques peuvent être intégrées directement dans un microscope à force atomique, permettant ainsi les procédures de « sélection et de placement » généralement utilisées en robotique macroscopique. En raison des faibles potentiels mis en jeu, de petits robots autonomes pourraient tout aussi bien être équipés de ces préhenseurs électrochimiques qui seront particulièrement utiles en robotique douce ainsi qu'en nanorobotique. De plus, ces pinces ne comportent aucune pièce mobile et peuvent être intégrées dans de nouveaux concepts d’actionneurs. Le concept peut facilement être réduit et appliqué à un large éventail d’objets, tels que les colloïdes, les protéines et les macromolécules.

La robotique est une technologie clé du XXIe siècle. Actuellement, les robots manipulent des objets dont la longueur varie de quelques mètres à quelques micromètres. Réduire les échelles de longueur, qui sont systématiquement accessibles par des approches robotiques, serait d'une grande importance pour la nanotechnologie et la médecine. Pour cela, diverses approches micro- et nanorobotiques ont été poursuivies ces dernières années. En atteignant le domaine colloïdal, c'est-à-dire quelques micromètres ou moins, les forces de surface commencent à devenir de plus en plus importantes pour la robotique et les concepts bien établis du monde macroscopique ne peuvent plus être appliqués1,2,3,4,5,6,7, 8. En particulier, le processus de « pick and place », c'est-à-dire le processus complexe consistant à saisir, saisir et ensuite relâcher un objet à une position définie, devient de plus en plus difficile à mettre en œuvre9,10. En raison des forces de Van der Waals (vdW) et capillaires attrayantes omniprésentes1,11, les petits objets adhèrent de manière irréversible aux surfaces. Ainsi, les pinces (cf. Fig. 1a, b), un outil commun à la robotique macroscopique, deviennent sévèrement limitées dans leur fonction sur de petites longueurs, même lorsqu'elles sont équipées de modifications de surface spécifiquement conçues 11,12,13. Malgré les progrès récents dans le développement de nouveaux systèmes d'actionneurs14,15 qui permettraient en principe de miniaturiser davantage les pinces, les limites physiques imposées par les forces de surface resteront en place. L’introduction de nouvelles approches reposant sur la manipulation des forces de surface elles-mêmes plutôt que sur l’optimisation des outils du monde macroscopique représente une étape importante pour étendre les processus de manipulation robotique à l’échelle micrométrique et nanométrique. Ainsi, il sera possible de préserver les processus de manipulation établis tels que le « pick and place » pour la manipulation de particules colloïdales et de macromolécules.

Principes de manipulation robotique de la macro à la nanoéchelle. (a) Robot macroscopique à 6 axes de conception « classique ». (b) Fixation de pince pour le robot macroscopique et (c) ventouse, respectivement. (d) Une plate-forme robotique analogue pour la micromanipulation (ici, en combinaison avec un microscope électronique à balayage, SEM). (e) Pince pour la plateforme de micromanipulation susmentionnée, qui permet la manipulation de particules colloïdales. (f) Un équivalent d'une ventouse pouvant être combiné avec un microscope à force atomique (AFM). L’encadré montre un cantilever AFM creux microfluidique avec une ouverture de 2 µm de diamètre qui peut être directement connecté à un contrôleur nanofluidique. (g) La pointe d'un cantilever AFM par rapport à l'œil d'une mouche en SEM. (h) Exemple de nanomanipulation en appliquant des forces de cisaillement par AFM pour déplacer les particules vers des endroits définis sur l'échantillon. (i) Les étapes de manipulation uniques pour « choisir », « placer » et « libérer », respectivement, sont illustrées par une main humaine à l'échelle macroscopique. (j) Extension des concepts de « choisir » et de « placer » au domaine colloïdal et au-delà : plutôt que d'appliquer une pression mécanique, les forces d'interaction sont réglées de l'extérieur. Le vert indique des interactions attractives (c'est-à-dire équivalentes à « grip ») et le rouge indique des interactions répulsives (c'est-à-dire équivalent à « libération »).

+ 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>