近期，华南师范大学水玲玲教授、金名亮研究员团队介绍了一种利用平面式介电泳在微滴阵列中精确操纵粒子组装的方法，通过巧妙的电极设计在微滴阵列中形成多样的微图案，展示了其在信息编码、动态电子令牌构建以及防伪技术应用中的潜力。相关研究以“Massive Electro‐Microfluidic Particle Assembly Patterns in Droplet Array for Information Encoding”为题目，发表在期刊《Small》上。

本文要点：

1、本研究提出了一种在微滴阵列中通过平面式介电泳精确操控粒子组装的方法，实现了微尺度空间内快速、可逆、精确的微图案组装。

2、设计了两种组装策略：“白底黑图案”和“黑底白图案”，并通过量化图案比例和相似度分析了这两种策略的特点。

3、在液滴阵列中成功组装了字母、数字和摩尔斯电码图案，展示了编码信息的可行性和可扩展性。

4、通过引入可寻址的多电极，在单个液滴内实现了16种不同的编码信息，为构建动态信息液滴阵列提供了可能。

5、该方法与电子设备兼容，可用于制造动态电子令牌，将物理和数字防伪特性无缝集成，在高价值商品防伪领域具有广阔的应用前景。

在粒子组装中实现精确微图案的主要挑战包括：

1、粒子分布不均：粒子在不同区域的分布可能不均匀，影响组装的精确性。

2、粒子迁移干扰：在周期性图案之间，粒子可能会发生迁移，导致干扰和不一致的组装结果。

3、流体介质特性：流体的性质可能影响粒子的运动和组装过程。

4、“串扰”现象：相邻单元的粒子在外部刺激或热波动下可能会相互干扰，影响整体组装效果。

5、不可逆性：许多组装过程本质上是不可逆的，限制了对已组装图案的进一步调整。 

6、布朗运动：虽然布朗运动可以促进可逆组装，但重新分散和重新组装图案需要大量的迁移，耗时较长。

7、电场的影响：在电场辅助组装技术中，液滴界面的导电性和介电常数的不连续性可能导致组装图案与设计的电极图案不对齐。

电微流控粒子组装平台的工作原理如下：

1、电聚并技术：通过电场作用促使微小液滴合并，形成均匀的液滴阵列。

2、共面电极设计：利用共面电极产生精确的电场梯度，实现对液滴内粒子的精细操控。

3、介电泳力操控：应用介电泳原理，根据粒子和介质的电性质差异，通过非均匀电场驱动粒子组装。

4、电场参数调节：调整交流电信号的幅度和频率，控制粒子在液滴内的组装行为，形成特定的微图案。

5、动态信息编码：通过多电极寻址技术，实现单个液滴内多信息集的编码，以动态调整粒子组装图案。

这种电微流控粒子组装图案（eMAPDA）在防伪技术领域具有以下潜在应用：

1、动态电子令牌（E-token）：eMAPDA平台通过使用可寻址的多电极技术，在单个微滴内编码和显示多种信息，创建出能够展示动态变化信息的电子令牌。这种动态信息显示能力极大地增强了产品的防伪特性。

2、集成物理和数字安全：该平台能在微米尺度上实现高精度的组装图案，并且可超越单个液滴的空间分辨率进行寻址，为产品赋予了物理和数字防伪特性。这种物理和数字安全特性的无缝集成对于保护高价值商品意义重大。

3、实时验证：通过将电子令牌中的动态组装信息与云端数据库中的加密信息进行实时比对，终端用户可以即时验证商品的真伪。这种实时验证机制提高了防伪系统的可靠性和响应速度。

图1.eMAPDA的制备。

图2.定向组装图案的两种策略。

图3.振幅和频率调节组装图案。

图4.电极形态对液滴中组装可调性和稳健性的影响。

图5.eMAPDA中的编码信息容量。

图6.单个液滴中的多个信息片段以及利用液滴阵列构建动态电子令牌。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202405161