Et gennembrud inden for dråbemanipulation

Forskere ved Institut for Mekanisk Teknik ved University of Hong Kong (HKU) har gjort et vigtigt gennembrud inden for dråbemanipulation. De har opdaget en innovativ måde at navigere i væsker på en overflade i fravær af ydre kraft eller energi.

Dråbe ligner en bold. In-plane droplet control ligner snooker, hvor boldene er rettet til at bevæge sig langs den ønskede bane, en funktion, der er højt værdsat til termisk styring, afsaltning, selvlevering af materialer, og mange andre applikationer.

Konventionelt, forskere fremstiller kemisk befugtningsgradient eller asymmetriske mikroteksturer for at drive dråber i bevægelse, svarende til at designe et transportbånd til at transportere kuglerne. For første gang, RGC postdoc dr. TANG Xin, Postdoc dr. LI Wei, og professor i termisk-væskevidenskab og teknik WANG Liqiu fra HKU Department of Mechanical Engineering opdagede, at når en kold/varm eller flygtig dråbe frigives på en smurt piezoelektrisk krystal (lithiumniobat) ved omgivelsestemperatur, dråben driver øjeblikkeligt over en lang afstand (som kan være ~50 gange dråberadius) i furkerede ruter. Afhængigt af krystalplanet, der forbinder med dråben, selvfremdriften kan være ensrettet, todelt, og endda tredelt.

Opdagelsen er blevet offentliggjort i Natur nanoteknologi i en artikel med titlen "Furcated Droplet Motility on Crystalline Surfaces".

"Dette er et uforudset fænomen med vidtrækkende implikationer. Dråber med en temperaturforskel mild ved 5 °C på en overflade kan gennemgå selvopretholdende fremdrift. Forestil dig at placere en bold på et perfekt nivelleret og glat bord, i stedet for at forblive statisk, bolden ruller af sig selv. Endnu mere overraskende er det, at bolden kun automatisk ruller i bestemte bestemte retninger, " sagde professor Wang Liqiu.

Forskerne har fundet ud af, at den iboende orienterede væskebevægelse er drevet af tværskala termo-piezoelektrisk kobling, som er forårsaget af anisotropi af krystalstruktur. Dette ligner, at et glat bord er atomisk arrangeret på en usædvanlig måde, således at en symmetrisk varmekilde kan producere asymmetrisk elektrisk felt, der driver en bold i bevægelse i en retning, der bestemmes af skæreretningen af ​​bordfladen.

"Arbejdet muliggør en innovativ måde at levere og transportere væsker med kontrollerbarhed, alsidighed og ydeevne, og giver ledetråde til at løse nogle langvarige udfordringer såsom anti-isning, afrimning og antidug i fugtige omgivelser, " sagde Dr. Tang Xin.

Når en dråbe rammer et underafkølet substrat som f.eks. en flyvinge og strømkabel, det fryser hurtigt og klæber til overfladen. I dette tilfælde, den spontane elektriske kraft, der genereres af krystallen, kan forstyrre den kernedannende dråbe, potentielt reducere grænsefladeadhæsion og forsinke skadelig isdannelse.

Selvfremdrift vil også opgradere ydeevnen af ​​dråbevis kondensering ved at fjerne voksende kondensat fra overfladen, den termiske barriere, og dermed potentielt give en meget lovende løsning til dråbemanipulation i rummet, hvor tyngdekraftsassisteret dråbeudskillelse er fraværende.

I øvrigt, de furkerede ruter kan vælges selektivt ved at tilføje eksterne forstyrrelser, såsom subtile elektriske felter. På denne måde overfladen kan fungere som en to- eller trevejs plan ventil til at levere dråber indeholdende information, kemisk eller biologisk nyttelast.

"Klart, denne nye tilgang til væskemanipulation fungerer for en bred vifte af væsker og piezoelektriske krystaller, dermed åbner muligheder for yderligere forskning, og udvikling af nye materialer og teknologier, " sagde Dr. Li Wei.