Klatrende dråber drevet af mekanisk befugtning på tværgående bølger

Moderne applikationer bruger selvrensende strategier og digitale mikrovæsker til at kontrollere individuelle dråber af væsker på flade overflader, men eksisterende teknikker er begrænset af bivirkningerne af høje elektriske felter og høje temperaturer. I en ny undersøgelse, Edwin De Jong og medarbejdere ved de tværfaglige afdelinger for Advanced Materials, Mechanical Engineering og Complex Molecular Systems udviklede en innovativ "mechanowetting"-teknik til at kontrollere dråbebevægelser på skiftende overflader baseret på grænsefladespændingen.

For at demonstrere metoden, de transporterede dråber ved hjælp af tværgående bølger på vandrette og lodret skrå overflader med hastigheder svarende til bølgens hastighed. Forskerne fangede den fundamentale mekanisme bag den mekaniske befugtningskraft i teorien og kvantitativt for at fastslå fænomenets afhængighed af væskens egenskaber, overfladeenergi og bølgeparametre. Jong et al. demonstreret "mechanowetting" som en teknik, der kan føre til en række nye applikationer med dråbekontrol gennem overfladedeformationer. Forskningen er nu offentliggjort på Videnskabens fremskridt .

I arbejdet, Jong et al. kvantificerede de dynamiske pinningskræfter, der drev mekanowetning, ved at studere de klatrende dråber af forskellig størrelse på forskellige hældningsvinkler. De observerede uventet store kræfter og var i stand til at drive dråber selv mod lodrette vægge med betydelige hastigheder. Dråberne var i stand til at plukke forurenende partikler undervejs for at demonstrere deres potentiale i selvrensende applikationer. Forskerne fangede de underliggende mekanismer for dråbetransport numerisk og i teorien for at fastslå dens afhængighed af flere fysiske parametre. Jong et al. Forvent, at teknikken driver en række nye applikationer baseret på trefaset linjemanipulation af kontaktvinklen og ved at skifte overfladetopografi.

Forskerne byggede en enhed til at generere regelmæssige og kontrollerbare tværgående overfladebølger for eksperimentelt at demonstrere dråbetransport. I sin virkningsmekanisme, de sænkede trykket under en film lavet af polydimethylsiloxan (PDMS) fastspændt af en metalramme for at skabe en bølgelignende overfladearkitektur for at sikre rene tværgående bølger. Ved at bruge den eksperimentelle opsætning, forskerne kontrollerede dråber i området fra 0,1 til 5 µL på tværgående bølger svarende til en bølgelængde på 500 nm, der bevægede sig med en hastighed på 0,57 mm/s; lig med hastigheden af ​​den påførte bølge. Materialeforskerne udførte en kombination af computational fluid dynamics (CFD) simuleringer, teoretisk modellering og enkeltdråbeforsøg til numerisk analyse af de enkelte dråber.

Under beregningsmodelleringseksperimenterne, de udviklede en openFOAM-ramme for at skabe en simulering, der stemte glimrende overens med eksperimenterne. For at forstå effektiviteten af ​​dråbetransportmekanismen, forskerne udførte en række klatrende dråbeeksperimenter og simuleringer med enheden vippet i en vinkel af interesse. Jong et al. viste, at når drivkraften for den større dråbe var større end tyngdekraften, dråben klatrede opad, hvorimod med mindre dråber den større gravitationskraft fik dråberne til at glide ned.

Under eksperimenterne identificerede forskerne en "gendannelseskraft", der drev dråbebevægelsen og kvantificerede denne ved at modellere dråben som en kugleformet hætte. De viste den dynamisk stiftende kraft, der afbalancerede de modvirkende kræfter, som inkluderede statisk pinning, tyngdekraft og viskøse kræfter under dråbetransport.

De opnåede de højeste kræfter, der kunne genereres i opsætningen for kontaktvinkler nær 65,5 grader. Ud over, dråberne på de vandrende bølger kunne overvinde betydelige gravitationskræfter for endda at klatre op ad lodrette overflader med en hastighed på 0,57 mm/s. Jong et al. viste millimeterstore dråber, der kunne transporteres på hovedet; at påvise fænomener, der hidtil havde manglet eksperimentel demonstration.

Under in vitro (i laboratoriet) eksperimenter, forskerne dannede den omrejsende bølgeanordning ved hjælp af et transportbånd konstrueret ved hjælp af elektrisk udledningsbearbejdning med indbygget hastighedskontrol monteret i et vakuumkammer. De påsatte PDMS-filmen lavet ved spin-coating på en aluminiumsramme placeret oven på den blottede del af dette bælte. Det lave tryk skabt i enheden gjorde det muligt at presse PDMS-filmen mod bæltet, og forskerne kontrollerede bølgeamplituden ved at kontrollere trykniveauet inde i kammeret.

De testede mekanismen ved hjælp af flere væsker inklusive vand, isopropanol og mineralolie for at vise metoden som en robust, konsekvent og reproducerbar proces til at flytte dråber i alle tilfælde. Jong et al. verificerede denne effektivitet ved at sprøjte dråber af varierende størrelse samtidigt på den vandrende bølge. Den observerede alsidighed af mekanisk befugtning var bemærkelsesværdig sammenlignet med tidligere metoder med særlige krav. Da de undersøgte de selvrensende egenskaber af den konstruerede, bevægende mekaniske befugtningsoverflade, forskerne fandt dråbernes evne til at tørre overfladen af ​​for forurening. Teknikken tillod kontrolleret dråbebevægelse til at opsamle affald på udpegede steder, i modsætning til tidligere selvrensende processer baseret på stive og statiske hydrofobe overflader.

På denne måde Jong et al. eksperimentelt demonstreret klatrende dråbebevægelse på mekanisk befugtningsoverflader og understreget en nødvendig topografisk deformation ved overfladens trefaselinje for at påvirke balancen mellem lokal overfladespænding og opnå bevægelse. Den nuværende opsætning er begrænset som en eksperimentel proof-of-concept-enhed på mekanismen for mekanisk befugtning. Forskerne sigter mod at optimere systemet og bygge enheder, som vil indeholde topografier, der mekanisk kan deformeres som reaktion på eksterne stimuli, herunder lys, magnetiske felter og temperatur. De kan også kontrollere spaltning og sammensmeltning af dråber ved at skabe overflader med to vandrende bølger, der bevæger sig mod eller væk fra hinanden.

Edwin Jong og kolleger mener, at mekanowettning kan udforskes fuldt ud for at åbne nye muligheder for højpræcisions dråbehåndtering i en række medicinske og industrielle applikationer baseret på metoden beskrevet i undersøgelsen. Dråber drevet af mechanowetting vil finde fremtidige anvendelser i mikrofluidik til diagnostik og cellehåndtering/analyse og som selvrensende anordninger i medicin, i marine sensorer, vinduer og solpaneler, samtidig med at de finder anvendelser inden for dughøst.

© 2019 Science X Network