可编程电场无需固定的微流体设备就能分拣氧化石墨烯，这有可能推动环境清洁和医疗保健的发展。
日本名古屋大学的研究人员开发出一种接口，无需制造实际设备即可创建 “虚拟分拣纳米机器”。通过将电子束投射到氮化硅薄膜上，他们产生了可编程电场，其功能类似于微流控设备–通过微观通道移动极少量液体的系统。这使他们能够在任何需要的位置和时间移动纳米材料并按其大小进行分类。
科学家们使用的氧化石墨烯（GO）是一种只有一个原子厚的碳材料。它的特性和细胞相互作用因薄片大小而异，因此尺寸分拣方法非常重要。传统方法需要具有固定结构的复杂预制微流体设备。新方法通过创建可立即移动或重新配置的临时、可编程电场模式，消除了这一限制。这样就能对 GO 片进行精确分拣，然后根据其尺寸特性捕获污染物、溶剂和生物分子。
当电场模式投射到带有 GO 片的溶液上时，有两种力同时起作用，但方向相反：电渗流将 GO 片拉向电场模式，而电泳斥力则将它们推开。产生这种运动的原因是不同大小的 GO 片的表面电荷与质量之比不同。
较小的 GO 片的总电荷较少，但它们的质量和体积也明显较小。这使得它们的表面电荷质量比更高，从而使它们在受到电场排斥时移动得更快。研究人员测量了不同大小的 GO 片（5-50 μm2）的速度，发现随着片大小的减小，排斥速度也成比例地增加。这样，他们就能在特定位置按大小分离薄片，并创建虚拟分拣纳米机器，这种机器可按需出现，无需复杂的预制微流体设备。
动态氧化石墨烯分拣概述：（a）系统利用氮化硅膜上的电子束产生电场模式，从而在氧化石墨烯薄片上产生相反的力。(b) 氧化石墨烯薄片在溶液中的起始状态。(c) 中间步骤，显示氧化石墨烯薄片被电渗流拉向图案。(d) 最后阶段，在电泳斥力的作用下，不同大小的薄片以不同的速度远离图案。较小的薄片移动速度更快，因为它们的表面电荷质量比更高： 资料来源：Sasaki 和 Hoshino，2025 年
研究人员能够通过改变电场模式来改善对石墨烯薄片的控制。例如，他们制作了周期性变化的不同环形图案，以改善不同大小的石墨烯片之间的分离；还制作了移动的半圆图案，在溶液中将石墨烯片推向不同的方向。(点击此处观看视频： 通过电场发出的环形图案和半圆图案来分拣氧化石墨烯薄片。图片来源：Sasaki 和 Hoshino，2025 年）
“这项研究代表了纳米材料加工领域的范式转变，”博士生兼第一作者 Ken Sasaki 评论道。“我们现在不再需要制造复杂的微流体设备，而是可以对虚拟纳米机器进行编程，使其按需出现并发挥作用。这样就可以实现无材料制造，通过可编程力场进行机械加工。
名古屋大学微纳机械科学与工程系的 Takayuki Hoshino 教授强调，这项技术在环境修复和医疗保健应用方面具有巨大潜力。“他解释说：”例如，如果发生工业泄漏，可以开发这种技术，在现场部署，对GO片进行分拣，以最佳方式清除污染物，而不是先将材料运输到设施中。
这项题为 “通过电子束处理局部电泳对氧化石墨烯薄片进行尺寸分馏 ”的研究于2025年4月27日发表在《胶体与表面A：物理化学与工程方面》（Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects）杂志上，DOI：doi.org/10.1016/j.colsurfa.2025.137056。