Multifacetteret designoptimering til superomnifobe overflader

I materialevidenskab, overflader, der kraftigt afviser væsker med lav overfladespænding, klassificeres som 'superoleofobiske, "mens væskeafvisende midler med høj overfladespænding er 'superhydrofobe', og overflader, der udviser begge egenskaber, er 'superomnifobe'." Superomnifobiske overflader er på grænsen til overfladedesign til en bred vifte af applikationer. I en nylig undersøgelse, J. R. Panter og medarbejdere ved Department of Physics og Procter and Gamble Co. i Storbritannien og USA udviklede beregningsmetoder til systematisk at udvikle tre vigtige overfladebefugtningsegenskaber. Disse omfattede kontaktvinkelhysterese, kritisk tryk og en minimumsenergibefugtningsbarriere. I undersøgelsen, forskerne udviklede kvantitative modeller og korrigerede unøjagtige antagelser i eksisterende modeller.

Panter et al. kombinerede disse analyser samtidigt for at demonstrere styrken af ​​strategien til at optimere strukturer til applikationer inden for membrandestillation og digital mikrofluidik. Ved antagonistisk at koble befugtningsegenskaberne, forskerne implementerede en mangefacetteret tilgang til optimalt at designe superomnifobiske overflader. Ved hjælp af genetiske algoritmer, de muliggjorde effektiv optimering for speedups på op til 10, 000 gange. Resultaterne af undersøgelsen er nu offentliggjort på Videnskabens fremskridt .

Superomnifobiske overflader har fysiske mikro- og nanoteksturer, der tillader væsker med lav overfladespænding (olier og alkoholer) at forblive suspenderet på en dampfyldt overfladestruktur. Denne væskeudskillende evne kan fremme effektiv dråbemobilitet med lavt viskøst modstand, med transformativt potentiale på tværs af en bred vifte af applikationer. Disse omfatter bæredygtige teknologier til vandrensning, antimikrobielle strategier i biomedicin, belægningsteknikker mod fingeraftryk, reduktion af madspild og alsidige biokemiske teknologier, på verdensplan.

Nylige gennembrud inden for mikrofabrikation har muliggjort dannelsen af ​​komplekse strukturer i mikrometerskalaens opløsning, inklusive tredimensionel (3-D) printteknologi, fluidisering af polymere mikrosøjler og litografiske metoder. På trods af disse meget alsidige teknikker, materialeforskere og fysikere søger stadig at forstå, hvordan man præcist designer overfladestrukturer til optimal ydeevne i virkelige applikationer. Et vellykket omnifobisk design skal demonstrere tre vigtige befugtningsegenskaber for at inkludere (1) en lav kontaktvinkel for maksimal væskemobilitet, (2) højt kritisk tryk for stabiliteten af ​​den superoleofobiske tilstand, og (3) en høj energetisk barriere for svigt. På grund af kompleksiteten af ​​overfladedesign, at forene beregningsmæssige og eksperimentelle undersøgelser kan være dyrt og tidskrævende at forstå dette grundlag.

I nærværende arbejde, Panter et al. overvandt udfordringerne ved at designe superomnifobiske befugtningsegenskaber ved først at designe beregningsstrategier for at forstå den effekt, som strukturelle parametre havde på de tre definerede kriterier. For at illustrere vigtigheden af ​​multifacetteret optimering brugte de to relevante eksempler på vandrensning via membrandestillation og dråbebaseret digital mikrofluidik. Forskerne udviklede en genetisk algoritme til effektivt at udføre samtidige optimeringer med hastigheder op til 10, 000 gange. Denne alsidige tilgang kan kobles til nyere innovationer inden for komplekse overflademikrofabrikationsteknikker for at tilbyde en transformativ tilgang til overfladedesign.

Forskerne simulerede først væskedampgrænsefladen frem og tilbage langs en enkelt række af overfladestrukturer for at opnå deres respektive kontaktvinkler og kontaktvinkelhysterese (CAH, dvs. forskellen mellem fremadskridende og vigende kontaktvinkler). De arrangerede de variable dimensioner i et kvadratisk array og observerede, at hysteresen var identisk for både reentrant og dobbelt reentrant geometrier (geometrier med meget lav væske-faststofkontaktfraktion). Ved hjælp af simuleringen, forskerne observerede fire dominerende vigende mekanismer til at beskrive og modellere dem i dette arbejde. Derefter, ved hjælp af de nye modeller Panter et al. kvalitativt testet de vigende modeller foreslået i tidligere undersøgelser for at verificere deres nøjagtighed. De analyserede de energetiske ændringer for at opnå den vinkel, hvor tilbagetrækningen blev energetisk gunstig for at danne den optimale vigende vinkel.

I modsætning til simuleringer af CAH, den anden parameter af interesse for kritisk tryk var følsom over for reentrant eller dobbelt reentrant overfladegeometri. Forskerne observerede tre fejlmekanismer i undersøgelsen af ​​kritisk tryk og kvantificerede dem som en funktion af de strukturelle parametre. Når de sammenlignede kvantificering i dette arbejde med simuleringsdata, de opdagede fremherskende og meget anvendte kritiske trykmodeller introduceret i tidligere undersøgelser for at være betydeligt oversimplificerede. For eksempel, dårlig beskrivelse af væske-damp-grænseflademorfologien fik fremstillede strukturer til at være mange gange mindre og mekanisk svagere end nødvendigt. Ved at udvikle en mere sofistikeret model i dette arbejde, Panter et al. opnåede både kvantitativ nøjagtighed af de kritiske tryk og med succes modelleret de ønskede komplekse grænseflademorfologier.

Når man studerer den tredje parameter om minimale energiovergangsmekanismer, forskerne identificerede tre fejlmekanismer. For eksempel, en overfladedesignfejl kan initieres gennem en bred vifte af yderligere forstyrrelser, herunder flow, vibrationer, fordampning, kondensation, dråbepåvirkning, skiftende elektriske og magnetiske felter eller termiske fluktuationer på nanoskala. I applikationer fra den virkelige verden, fejl kunne være initieret af en kombination af forstyrrelser. For at fremstille en tekstur, der er modstandsdygtig over for fejl, Panter et al. kombinerede derfor den maksimale energivej (MEP) for at tage højde for et worst case-scenarie med kombinerede fejl. De identificerede tre overgangsveje som (1) basekontakt (BC), (2) søjlekontakt (PC) og (3) hættekontakt (CC), kvantificerede derefter hver barriere på tværs af det strukturelle parameterrum. Derefter, de vurderede den mest sandsynlige mekanisme for energiovergang for en given overfladegeometri.

Forskerne udførte derefter samtidig optimering af de identificerede strukturelle funktioner for at maksimere det kritiske tryk, minimere energibarrieren og maksimere CAH. For det, de udførte optimalt design af to membraner til anvendelser på vandrensning og digital mikrofluidik. Panter et al. viste også, at en genetisk algoritme kunne bruges til effektivt at lokalisere det optimale design i parameterrummet og designe mere komplekse strukturer til specielle fugtbarhedsapplikationer.

På denne måde forskerne udviklede meget alsidige beregningsteknikker til at studere enhver mesoskopisk struktureret overflade i kontakt med flere væskefaser. Den mangefacetterede optimeringsstrategi kan forbedres yderligere for pålidelighed og skalerbarhed for at koble sammen med de seneste fremskridt inden for fremstilling, herunder 3-D-print og litografiske metoder til effektivt at designe virkelige superomnifobiske overflader.

© 2019 Science X Network