Med ny metode, ingeniører kan kontrollere og adskille væsker på en overflade ved kun at bruge synligt lys

Et nyt system udviklet af ingeniører ved MIT kunne gøre det muligt at kontrollere, hvordan vand bevæger sig over en overflade, bruger kun lys. Dette fremskridt kan åbne døren til teknologier såsom mikrofluiddiagnoseapparater, hvis kanaler og ventiler kan omprogrammeres i farten, eller feltsystemer, der kunne adskille vand fra olie på en borerig, siger forskerne.

Systemet, rapporteret i journalen Naturkommunikation , blev udviklet af MIT lektor i maskinteknik Kripa Varanasi, School of Engineering Professor i Teaching Innovation Gareth McKinley, tidligere postdoc Gibum Kwon, kandidatstuderende Divya Panchanathan, tidligere forsker Seyed Mahmoudi, og Mohammed Gondal ved King Fahd University of Petroleum and Minerals i Saudi-Arabien.

Det oprindelige mål med projektet var at finde måder at adskille olie fra vand, for eksempel, at behandle den skummende blanding af saltvand og råolie produceret fra visse oliebrønde. Jo mere grundigt disse blandinger blandes – jo finere dråberne er – jo sværere er de at adskille. Nogle gange bruges elektrostatiske metoder, men disse er energikrævende og virker ikke, når vandet er meget saltholdigt, som det ofte er tilfældet. I stedet, holdet udforskede brugen af ​​"fotoresponsive" overflader, hvis reaktioner på vand kan ændres ved udsættelse for lys.

Ved at skabe overflader, hvis vekselvirkning med vand - en egenskab kendt som fugtbarhed - kan aktiveres af lys, forskerne fandt ud af, at de direkte kunne adskille olien fra vandet ved at få individuelle vanddråber til at smelte sammen og sprede sig over overfladen. Jo mere vanddråberne smelter sammen, jo mere skiller de fra olien.

Fotoresponsive materialer er blevet undersøgt og brugt i vid udstrækning; et eksempel er den aktive ingrediens i de fleste solcremer, titandioxid, også kendt som titania. Men de fleste af disse materialer, inklusive titania, reagerer primært på ultraviolet lys og næsten ikke på synligt lys. Alligevel er kun omkring 5 procent af sollys i det ultraviolette område. Så forskerne fandt ud af en måde at behandle titanium-overfladen på for at få den til at reagere på synligt lys.

Det gjorde de ved først at bruge en lag-for-lag afsætningsteknik til at opbygge en film af polymerbundne titanoxidpartikler på et lag glas. Derefter dip-coated de materialet med et simpelt organisk farvestof. Den resulterende overflade viste sig at være meget lydhør over for synligt lys, producerer en ændring i befugtningsevnen, når den udsættes for sollys, der er meget større end selve titaniumdioxiden. Når den aktiveres af sollys, materialet viste sig meget effektivt til at "demulgere" olie-vand-blandingen - at få vandet og olien til at adskille fra hinanden.

"Vi blev inspireret af arbejdet med solceller, hvor farvesensibilisering blev brugt til at forbedre effektiviteten af ​​absorption af solstråling, " siger Varansi. "Koblingen af ​​farvestoffet til titanoxidpartikler giver mulighed for generering af ladningsbærere ved lysbelysning. Dette skaber en elektrisk potentialforskel, der etableres mellem overfladen og væsken ved belysning, og fører til en ændring i befugtningsegenskaberne."

"Saltvand spreder sig ud på vores overflade under belysning, men det gør olie ikke " siger Kwon, som nu er assisterende professor ved University of Kansas. "Vi fandt ud af, at stort set alt havvandet vil sprede sig ud på overfladen og blive adskilt fra råolie, under synligt lys."

Den samme effekt kunne også bruges til at drive vanddråber hen over en overflade, som holdet demonstrerede i en række eksperimenter. Ved selektivt at ændre materialets fugtighed ved hjælp af en bevægelig lysstråle, en dråbe kan rettes mod det mere fugtbare område, driver den i enhver ønsket retning med stor præcision. Sådanne systemer kunne designes til at lave mikrofluidiske enheder uden indbyggede grænser eller strukturer. Flytningen af ​​væske - for eksempel en blodprøve i et diagnostisk laboratorium-på-en-chip - ville være fuldstændig styret af det belysningsmønster, der projiceres på den.

"Ved systematisk at studere forholdet mellem farvestoffets energiniveauer og fugtigheden af ​​den kontaktende væske, vi har fundet frem til en ramme for designet af disse lysstyrede væskemanipulationssystemer, " siger Varanasi. "Ved at vælge den rigtige slags farvestof, vi kan skabe en væsentlig ændring i dråbedynamikken. Det er lys-induceret bevægelse - en berøringsfri bevægelse af dråber."

Den omskiftelige befugtningsevne af disse overflader har en anden fordel:De kan stort set være selvrensende. Når overfladen skiftes fra vandtiltrækkende (hydrofil) til vandafvisende (hydrofob), alt vand på overfladen bliver drevet væk, medfører eventuelle forurenende stoffer, der måtte være opbygget.

Da den fotoresponsive effekt er baseret på farvebelægningen, det kan justeres meget ved at vælge blandt de tusindvis af tilgængelige organiske farvestoffer. Alle materialer involveret i processen er bredt tilgængelige, billig, råvarer, siger forskerne, og processerne til at lave dem er almindelige.