Mikrofabrikation gør mikrodråber mønsterlydige, men Gibbs ligning ulydige
Mikrodråber finder alsidige anvendelser inden for kemi, materialevidenskab og biokemi, især inden for kemiteknik og biokemisk mikrofluidik som mikroreaktorer og biosensorer. At opnå præcis kontrol over mikrodråber i deres form, størrelse og kontaktvinkel (CA) er især afgørende for applikationer som præcis kontrol af print-/coatingmønstre og kemiske reaktioner.
Nuværende forskning udnytter kapillær- og kanteffekterne af strukturerede overflader med mikropiller for at opnå visse polygonale mønstre af væskedråber. Men når der gives en specifik væske/materiale-kombination, især for superhydrofile (eller fuldstændigt fugtende) overflader, er den opnåelige kontaktvinkel begrænset af den konventionelle Gibbs-ligning, der typisk bruges til at få adgang til CA for en makrodråbe på ru overflader. Mikrodråbernes kontaktformer er begrænset til visse polygoner. At opnå præcis kontrol over mikrodråber med vilkårlige former og en bred vifte af CA'er har længe været en udfordring.
I en undersøgelse offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , Prof. Gao Yuruis gruppe fra National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) i det kinesiske videnskabsakademi, der samarbejder med prof. Zeng Xiaocheng fra City University of Hong Kong og prof. Francisco Joseph S. fra University of Pennsylvania, der beskæftiger fotolitografiteknikker og efterfølgende bearbejdning fremstillede en klasse af strukturerede overflader med koncentriske mikrovægge/mikrokanaler med lukket sløjfe, hvilket giver mulighed for præcis kontrol af mikrodråber med en bred vifte af CA'er og høj form- og mønsterindstilling.
Baseret på begrebet "topologiske befugtningstilstande" konstruerede forskerne en række forskellige overflader med homocentriske ortorhombiske mikrovægge/mikrokanaler med lukket sløjfe ved hjælp af litografiteknikker. Disse overflader udviste præcise mikrovæggekantvinkler på 90° og opnåede ved anvendelse af UV/ozonbehandling en iboende kontaktvinkel på 0°. På disse overflader med lukkede sløjfestrukturer blev topologiske befugtningstilstande observeret.
På grund af den lukkede sløjfe-topologi af overfladestrukturerne udviste mikrodråberne flere Wenzel-tilstande med deres trefasede kontaktlinjer fastgjort ved den ydre kant af mikrovæggen. og CA kan varieres bredt fra 0 til 130°. Ved at designe formen af homocentriske mikrovægge kan mikrodråbekontaktarealet og -størrelsen også kontrolleres effektivt, hvilket muliggør dannelse af ikke kun regelmæssige former såsom cirkler, trekanter og firkanter, men også af uregelmæssige mønstre som hjerteformede former.
Derudover udvidede forskerne kontrollen til dimensionen CA. De foreslog kontrol over et bredt område (fra 0 til>130°), især for iboende fuldstændig fugtende overflade/væske-kombinationer, ved at udnytte dråbefordampning og tætsløjfe-geometrien.
Interessant nok afslørede forskerne et befugtningsfænomen, der udfordrer den traditionelle Gibbs-ligning med at beskrive dråber ved dens grænser:uanset formen af den lukkede sløjfestruktur forbliver mikrodråbens maksimale CA stabil omkring 130°, stort set afvigende fra vinklen grænse forudsagt af Gibbs-ligningen baseret på makroskala-kanteffekter.
Denne konstatering antydede, at Gibbs-ligningen, der traditionelt bruges til at få adgang til CA af makrodråber på ru overflader, muligvis ikke er anvendelig på mikro- eller nanoskalaen. Denne konklusion gælder for forskellige væsker, herunder isopropanol, ethanol, decan og oktan, der tages i betragtning i denne undersøgelse.
Gennem uafhængige molekylær dynamik-simuleringer tilskrev forskerne denne store afvigelse fra Gibbs ligningsforudsigelse til en kumulativ effekt af vand-overflade-interaktion og kantens atomare struktur. De foreslog at tilføje et korrektionsled til Gibbs-ligningen for at adressere den tilsyneladende afvigelse.
"Dette arbejde demonstrerede lukkede sløjfe-mikrostrukturer med velkontrollerede ortorhombiske kanter, hvilket muliggjorde en sammenlignende analyse af dråbens kontaktvinkel og kantvinklen. Det giver kompilerende beviser på behovet for den modificerede Gibbs-ligning på mikro- eller nanoskalaen og den opnåede dråber, der kan styres præcist, giver mulighed for nøjagtig måling af dråber.
"Det har implikationer for udnyttelse af kontrollerbare mikrodråber på områder som mikrofluidik, kemiske reaktioner og biosensing, hvilket giver nye muligheder for materialefremstilling og grøn syntese," sagde Prof. Gao.
Flere oplysninger: Dongdong Lin et al., Topologiske befugtningstilstande af mikrodråber på strukturerede overflader med lukket sløjfe:Nedbrydning af Gibbs-ligningen på mikroskala, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2315730121
Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences
Leveret af Chinese Academy of Sciences
Varme artikler
-
Dødelig fejl afsløret i grøn pigmenteret betonKredit:CC0 Public Domain Da Xian Jiaotong-Liverpool University forskere afsluttede deres forskning om farvet arkitektonisk beton, de fandt et overraskende resultat - grøn pigmenteret cement havde -
Sydafrika er et skridt tættere på forarbejdede titanlegeringerLavprislegeringer ville bane vejen for overkommelige medicinske implantater og proteser. Kredit:Monstar Studio/Shutterstock William Gregor, en amatør mineralog og kemiker, første gang opdagede ilm -
Forskere kan regne med forbedret proteomikmetodePrinceton Universitys Martin Wühr har forbedret sin metode til nøjagtigt at tælle de proteiner, der er til stede i en celle under forskellige omstændigheder. TMc+-metoden er i en slags sweet spot samm -
Kortlægning af den indre funktion i en levende celleDa levende celler absorberer tungt vand, deuterium er inkorporeret i nylavede proteiner, lipider og DNA. Da forskerne rettede lyset fra et stimuleret Raman -spredning (SRS) mikroskop mod en enkelt cel
- Sharp udvikler solceller med verdens højeste konverteringseffektivitet
- Undersøgelse afslører vælgernes moralske begrundelser for politikeres fejlsætninger
- Typer af bakterier, der lever i sur pH
- At vaske dit tøj kan skabe arktisk mikroplastikforurening
- Forsker skaber optisk magnetometer prototype, der registrerer fejl i MR-scanninger
- Udvinding af funktionelle mitokondrier ved hjælp af mikrofluidiske enheder