Ny mekanisme, der flytter dråber ved rekordhøj hastighed og langdistance uden ekstra kraft

Transport af dråber på faste overflader ved høj hastighed og lange afstande uden ekstra kraft, selv mod tyngdekraften, er en formidabel opgave. Men et forskerhold bestående af forskere fra City University of Hong Kong (CityU) og tre andre universiteter og forskningsinstitutter har for nylig udtænkt en ny mekanisme til at transportere dråber med rekordhøj hastighed og afstand uden ekstra energiindgang, og dråber kan flyttes opad langs en lodret overflade, som aldrig er opnået før. Den nye strategi til at kontrollere dråbe bevægelse kan åbne op for nyt potentiale i applikationer i mikrofluidiske enheder, bioanalytiske enheder og videre.

De konventionelle metoder til transport af dråber omfatter udnyttelse af befugtningsgradienten på overfladen for at fremkalde en drivkraft og flytte dråben fra hydrofob til hydrofil overflade. Imidlertid, den grundlæggende afvejning, der understøtter dråbehydrodynamik, pålægger begrænsninger:transport af dråber med høj hastighed nødvendiggør en stor befugtningsgradient og er igen begrænset til en kort afstand, mens lang transportafstand kræver en lille befugtningsgradient for at reducere klæbekraften mellem den flydende og faste overflade, og transporthastigheden begrænses derefter.

For at overvinde disse udfordringer, forskerne har udtænkt en ny strategi, der opnår ensrettet og selvkørende væskedråbetransport på forskellige underlag. Deres arbejde viser enestående ydeevne:Den højeste transporthastighed (1,1 m/s) er 10 gange højere end nogensinde tidligere rapporteret, og repræsenterer den længste ubegrænsede transportafstand.

Manipulation af overfladeladningstæthed

Nøglen til dette gennembrud ligger i manipulation af overfladeladning via væskekontakt, som blev realiseret for første gang. Forskergruppen tabte først en kæde af vanddråber på den specialdesignede superamphiphobiske (super vand- og olieafvisende) overflade, som de tidligere havde udviklet. Ved stød på overfladen, dråberne spredes straks, trukket tilbage og vendte tilbage fra overfladen. Dette resulterede i adskillelse af elektroner fra dråberne, og den påvirkede overflade blev negativt ladet.

Ved at justere højden, hvorfra dråberne faldt på overfladen, overfladeladningstætheden på overfladen ændrede sig gradvist, danner en gradient. Da en dråbe efterfølgende blev anbragt på den overflade, overfladeladningsdensitetsgradienten fungerede som en drivkraft. Dråben ville så selvkøre og bevæge sig i retning af højere ladningstæthed.

I modsætning til de kemiske eller morfologiske gradienter, som er svære at ændre, når de først er oprettet, ladningstæthedsgradienten kan let ændres, muliggør omprogrammering af dråbe bevægelsesveje. Forskningen viser, at høj hastighed og ultralang transport af dråber kan stimuleres ved stuetemperatur og ikke kræver ekstra energi.

En sådan dråbetransport manifesterer sig ikke kun på flade overflader, men også fleksible og lodret placerede. Ud over, forskellige væsker kan transporteres, herunder dem med lav overfladespænding, lav dielektrisk konstant, blod- og saltopløsninger.

Anvendelsespotentiale i mikrofluidiske enheder

"Vi forestiller os, at vores innovation i at bruge overfladeladningsdensitetsgradient til at programmere dråbetransport, som ikke blev undersøgt før, vil åbne op for en ny forskningsretning og potentiale i applikationer. For eksempel, inden for biomedicin, design af overflader med fortrinsvis ladningstæthedsgradient kan påvirke cellemigration og anden adfærd, "sagde professor Wang. Professor Deng sagde også, at denne strategi kunne anvendes i mikrofluidiske lab-on-a-chip-enheder og bioanalytiske enheder, såvel som inden for materialevidenskab, væskedynamik og videre.