Femtosekund laser bionisk fremstilling, der muliggør boblemanipulation

Manipulation og brug af gas i vand har brede anvendelser inden for energiudnyttelse, kemisk fremstilling, miljøbeskyttelse, landbrugs-avl, mikrofluidchips og sundhedspleje. Muligheden for at drive undervandsbobler til at bevæge sig retningsbestemt og kontinuerligt over en given afstand via unikke gradientgeometrier er blevet arkiveret med succes, hvilket åbner plads til mere forskning om dette spændende emne. I mange tilfælde er gradientgeometrien imidlertid mikroskopisk og uegnet til at transportere gas på mikroskopniveau, fordi de fleste gradientstrukturer i mikroskala giver den utilstrækkelige drivkraft. Dette gør undervands selvtransport af bobler og gasser på mikroskopisk niveau til en stor udfordring.

I et nyt papir offentliggjort i International Journal of Extreme Manufacturing , et team af forskere, ledet af prof. Feng Chen fra School of Electronic Science and Engineering, Xi'an Jiaotong University, Kina, har foreslået en innovativ strategi for undervands-selvtransport af gas langs en femtosekund laser-induceret åben superhydrofob overflade med en mikrokanalbredde mindre end 100 µm. Mikrorillen med superhydrofobe og undervands superaerofile mikro/nanostrukturer på dens indervæg kan ikke fugtes af vand, så der dannes en hul mikrokanal mellem substratet og vandet, når den rillestrukturerede overflade nedsænkes i vand. Gas kan frit strømme langs den undersøiske mikrokanal; det vil sige, at denne mikrokanal muliggør gastransport i vand. De superhydrofobe mikroriller gør det muligt at selvtransportere bobler og gasser på mikroskopisk niveau.

Femtosekund (10 ^{- 15} s) laserteknologi er dukket op som en lovende løsning til at forberede en sådan superhydrofob mikrorille. Ved at udnytte de to nøglefunktioner:ekstrem høj spidsintensitet og ultrakort pulsbredde, er femtosekundlasere blevet et vigtigt værktøj til moderne ekstrem og ultrapræcisionsfremstilling. Femtosekund laserbehandling har karakteristika af høj rumlig opløsning, lille varmepåvirket zone og berøringsfri fremstilling. Især femtosekund-laseren kan fjerne næsten ethvert materiale, hvilket resulterer i mikrostrukturer på materialets overflade. Femtosekundlaseren er således et levedygtigt værktøj til at skabe superhydrofobe mikrostrukturer på materialeoverflader, hvilket er afgørende for at realisere gasselvtransport på mikroskopisk niveau.

Hierarkiske mikro/nanostrukturer blev let produceret på det iboende hydrofobe polytetrafluorethylen (PTFE) substrat ved femtosekund laserbehandling, hvilket gav PTFE overfladen fremragende superhydrofobicitet og undervands superaerofilicitet. De femtosekund laser-inducerede superhydrofobe og undervands superaerofile mikroriller afviser i høj grad vand og kan understøtte gastransport under vandet, fordi der dannes en hul mikrokanal mellem PTFE-overfladen og vandmediet i vand. Undervandsgas blev let transporteret gennem denne hule mikrokanal.

Interessant nok, når superhydrofobe mikroriller forbinder forskellige superhydrofobe områder i vand, overføres gassen spontant fra et lille område til et stort område. En unik laserboreproces kan også integrere mikrohullerne i det superhydrofobe og undervands superaerofile PTFE-ark.

Den asymmetriske morfologi af de femtosekund laser-inducerede 'Y'-formede mikrohuller og den unikke overfladesuperfugtighed af PTFE-arket gjorde det muligt for gasboblerne at passere ensrettet gennem det porøse superbefugtende PTFE-ark (fra siden med små huller til siden med store huller). ) i vandet.

Anti-opdrift ensrettet penetration blev opnået; det vil sige, at gassen overvandt boblens opdrift og selvtransporterede nedad. I lighed med en diode blev funktionen af ​​den ensrettede gaspassage af den superbefugtende porøse plade brugt til at bestemme gassens transportretning ved at manipulere undervandsgas, hvilket forhindrer gastilbagestrømning.

Laplace trykforskellen drev processerne med spontan gastransport og ensrettet boblepassage. De superhydrofobe og undervands superaerofile porøse plader blev også med succes brugt til at adskille vand og gas baseret på adfærden ved selvtransport af gas.

Professor Feng Chen (direktør for Ultrafast Photonic Laboratory, UPL) og lektor Jiale Yong har identificeret betydningen af ​​forskningen og de potentielle anvendelser af denne teknologi (selvtransport af undervandsgas) som følger:

"Hvordan tænker man på at bruge superhydrofobe mikroriller til gastransport?"

"Superhydrofobe mikrostrukturer har stor vandafvisning, hvilket gør det muligt for materialerne at afvise væsker. Hvis en mikrorille har superhydrofobe mikro/nanostrukturer på sin indervæg, vil mikrorillen ikke blive fugtet af vand, da den rillestrukturerede overflade er nedsænket i vand. Derfor kan en der dannes hul mikrokanal mellem substratet og vandmediet. Denne mikrokanal muliggør gastransport i vand, så gas frit kan strømme langs undervandsmikrokanalen. Femtosekundlaseren kan nemt fremstille sådan en superhydrofob mikrorille. Bredden af ​​den laserinducerede mikrorille bestemmer bredden af den hule mikrokanal, som er mindre end 100 μm, hvilket gør os i stand til at realisere gasselvtransport på mikroskopisk niveau."

"Hvorfor blev femtosekundlaser brugt til at forberede en sådan superhydrofob mikrorille til selvtransport af gas?"

"Laseren er en af ​​de største opfindelser i det 20. ^th århundrede. I de senere år er femtosekundlaseren blevet et væsentligt værktøj til moderne ekstrem og ultrapræcisionsfremstilling. Femtosekund laserbehandling er en fleksibel teknologi, der direkte kan skrive superhydrofobe og undervands superaerofile mikroriller på overfladen af ​​et fast substrat og bore åbne mikrohuller gennem en tynd film. Desuden kan sporet af de åbne mikroriller og placeringen af ​​de åbne mikrohuller designes nøjagtigt af kontrolprogrammet under laserbehandling."

"Påvirker gastyperne selvtransporten af ​​bobler og gasser på mikroskopisk niveau?"

"Selvom kun den almindelige luftboble er blevet undersøgt, skal det bemærkes, at drivkraften for gastransport ikke involverer den kemiske sammensætning af gassen. Derfor er den manipulation af gas, der er rapporteret i dette papir, anvendelig til andre gasser, så længe som de opløses ikke fuldstændigt i de tilsvarende væsker."

"Hvad er de potentielle anvendelser af teknologien, der opnår boble/gas-selvtransport og manipulation baseret på femtosekunds laserskrevne superhydrofobe mikroriller?"

"Vi mener, at de rapporterede metoder til selvtransport af gas i vand langs femtosekund laserstrukturerede superhydrofobe mikrokanaler vil åbne op for mange nye applikationer inden for energiudnyttelse, kemisk fremstilling, miljøbeskyttelse, landbrugsopdræt, mikrofluidchips, sundhedspleje osv."

Forskere påpeger også, at denne strategi for selvtransport af gas baseret på de superhydrofobe mikroriller, selvom den er valideret, stadig er i sin vorden. Indflydelsen af ​​forskellige faktorer (såsom størrelsen af ​​mikrorillerne, længden af ​​kanalen og gassens volumen) på ydeevnen af ​​gastransport kræver yderligere forskning. De praktiske applikationer baseret på gasselvtransportfunktionen skal også udvikles. + Udforsk yderligere

Ny teknologi kan hjælpe med at afvise vand, redde liv gennem forbedret medicinsk udstyr