Transportera droppar på fasta ytor med hög hastighet och långa avstånd utan extra kraft, även mot gravitationen, är en formidabel uppgift. Men ett forskarlag bestående av forskare från City University of Hong Kong (CityU) och tre andra universitet och forskningsinstitut har nyligen tagit fram en ny mekanism för att transportera droppar med rekordhög hastighet och avstånd utan extra energitillförsel, och droppar kan flyttas uppåt längs en vertikal yta, som aldrig har uppnåtts tidigare. Den nya strategin för att kontrollera dropprörelser kan öppna upp ny potential i applikationer i mikrofluidiska enheter, bioanalytiska apparater och mer.

De konventionella metoderna för att transportera droppar inkluderar att utnyttja vätningsgradienten på ytan för att inducera en drivkraft och flytta droppen från hydrofob till hydrofil yta. Dock, den grundläggande avvägningen som ligger till grund för dropphydrodynamiken medför begränsningar:transport av droppar med hög hastighet kräver en stor vätningsgradient och är i sin tur begränsad till en kort sträcka, medan långa transportsträckor kräver en liten vätningsgradient för att minska vidhäftningskraften mellan vätskan och den fasta ytan, och transporthastigheten är då begränsad.

För att övervinna dessa utmaningar, forskarna har utarbetat en ny strategi som uppnår enkelriktad och självgående transport av vätskedroppar på olika substrat. Deras arbete visar oöverträffad prestanda:Den högsta transporthastigheten (1,1 m/s) är 10 gånger högre än någonsin tidigare rapporterad, och representerar den längsta obegränsade transportsträckan.

Manipulering av ytladdningstäthet

Nyckeln till detta genombrott ligger i manipuleringen av ytladdning via vätskekontakt, som förverkligades för första gången. Forskargruppen tappade först en kedja av vattendroppar på den specialdesignade superamfifoba (supervatten- och oljeavvisande) ytan som de tidigare hade utvecklat. Vid stöt mot ytan, dropparna spred sig omedelbart, tillbakadragen och studsad från ytan. Detta resulterade i separation av elektroner från dropparna, och den påverkade ytan blev negativt laddad.

Genom att justera höjden från vilken dropparna föll på ytan, ytladdningstätheten på ytan förändrades gradvis, bildar en gradient. När en droppe därefter placerades på den ytan, Ytladdningsdensitetsgradienten fungerade som en drivkraft. Droppen skulle då självgående och röra sig i riktning mot högre laddningstäthet.

Till skillnad från de kemiska eller morfologiska gradienterna, som är svåra att ändra när de väl har skapats, laddningstäthetsgradienten kan enkelt ändras, möjliggör omprogrammering av dropprörelsebanor. Forskningen visar att hög hastighet och ultralång transport av droppar kan stimuleras vid rumstemperatur och kräver inte extra energi.

Sådan dropptransport visar sig inte bara på plana ytor, men även flexibla och vertikalt placerade. Dessutom, olika vätskor kan transporteras, inklusive de med låg ytspänning, låg dielektricitetskonstant, blod och saltlösningar.

Användningspotential i mikrofluidiska enheter

"Vi föreställer oss att vår innovation i att använda ytladdningstäthetsgradient för att programmera dropptransport, som inte utforskats tidigare, kommer att öppna upp en ny forskningsriktning och potential i ansökningar. Till exempel, inom biomedicin, utformningen av ytor med föredragen laddningstäthetsgradient kan påverka cellmigration och andra beteenden, " sa professor Wang. Professor Deng sa också att den här strategin kan tillämpas i mikrofluidiska lab-on-a-chip-enheter och bioanalytiska enheter, såväl som inom materialvetenskap, vätskedynamik och vidare.