Inom materialvetenskap, ytor som starkt avvisar vätskor med låg ytspänning klassificeras som "superoleophobic, "medan flytande avstötande medel med hög ytspänning är" superhydrofoba "och ytor som visar båda egenskaperna är" superomnifoba ". Superomnifobiska ytor ligger vid gränserna för ytdesign för ett stort antal applikationer. I en färsk studie, J. R. Panter och medarbetare vid Department of Physics and Procter and Gamble Co. i Storbritannien och USA utvecklade beräkningsmetoder för att systematiskt utveckla tre viktiga ytvätande egenskaper. Dessa inkluderade kontaktvinkelhysteres, kritiskt tryck och en minimal energivätningsbarriär. I studien, forskarna utvecklade kvantitativa modeller och korrigerade felaktiga antaganden inom befintliga modeller.

Panter et al. kombinerade dessa analyser samtidigt för att visa kraften i strategin att optimera strukturer för applikationer inom membrandestillation och digital mikrofluidik. Genom att antagonistiskt koppla vätningsegenskaperna, forskarna implementerade ett mångfacetterat tillvägagångssätt för att optimalt utforma superomnifobiska ytor. Med hjälp av genetiska algoritmer, de underlättade effektiv optimering för hastigheter upp till 10, 000 gånger. Resultaten av studien publiceras nu på Vetenskapliga framsteg .

Superomniphobic ytor har fysiska mikro- och nanotexturer som tillåter vätskor med låg ytspänning (oljor och alkoholer) att förbli hängande på en ångfylld ytstruktur. Denna vätskeavgivande förmåga kan främja effektiv dropprörlighet med lågt visköst drag, med transformativ potential inom ett brett spektrum av applikationer. Dessa inkluderar hållbar teknik för vattenrening, antimikrobiella strategier inom biomedicin, beläggningsteknik mot fingeravtryck, minska matsvinn och mångsidig biokemisk teknik, i global skala.

De senaste genombrotten inom mikrofabricering har gjort det möjligt att bilda komplexa strukturer vid mikrometerupplösningen, inklusive tredimensionell (3-D) utskriftsteknik, fluidisering av polymermikropilar och litografiska metoder. Trots dessa mycket mångsidiga tekniker, materialforskare och fysiker försöker fortfarande förstå hur man exakt utformar ytstrukturer för optimal prestanda i verkliga applikationer. En framgångsrik omnifobisk design måste visa tre viktiga vätningsegenskaper för att inkludera (1) en låg kontaktvinkel för maximal vätskemobilitet, (2) högt kritiskt tryck för stabilitet i det superoleophobiska tillståndet, och (3) en hög energisk barriär mot misslyckande. På grund av komplexiteten i ytdesign, att förena beräknings- och experimentella studier kan vara dyrt och tidskrävande att förstå denna grund.

I det nuvarande arbetet, Panter et al. övervann utmaningarna med att designa superomnifobiska vätningsegenskaper genom att först utforma beräkningsstrategier för att förstå effekten som strukturella parametrar hade på de tre definierade kriterierna. För att illustrera vikten av mångfacetterad optimering använde de två relevanta exempel på vattenrening via membrandestillation och droppbaserad digital mikrofluidik. Forskarna utvecklade en genetisk algoritm för att effektivt utföra samtidiga optimeringar med upp till 10, 000 gånger. Detta mångsidiga tillvägagångssätt kan kopplas till de senaste innovationerna inom komplexa ytmikrofabriceringstekniker för att erbjuda en transformativ strategi för ytdesign.

Forskarna simulerade först vätskeånga -gränssnittet som gick framåt och tillbakadragande längs en enda rad ytstrukturer för att få sina respektive kontaktvinklar och kontaktvinkelhysteres (CAH, d.v.s. skillnaden mellan framåt- och avtagande kontaktvinklar). De ordnade de variabla dimensionerna i en kvadratisk uppsättning och observerade att hysteresen var identisk för både reentrant och dubbel reentrant geometrier (geometrier med mycket låg vätske-fast kontaktfraktion). Med hjälp av simuleringen, forskarna observerade fyra dominerande avtagande mekanismer för att beskriva och modellera dem i det aktuella arbetet. Därefter, med de nya modellerna Panter et al. testade kvalitativt de avtagande modellerna som föreslogs i tidigare studier för att verifiera deras riktighet. De analyserade de energiska förändringarna för att erhålla vinkeln vid vilken vikningen blev energiskt gynnsam för att bilda den optimala vikande vinkeln.

Till skillnad från simuleringar av CAH, den andra parametern av intresse för kritiskt tryck var känslig för reometern eller den dubbla reentrantytans geometri. Forskarna observerade tre felmekanismer i den kritiska tryckstudien och kvantifierade dem som en funktion av de strukturella parametrarna. När de jämförde kvantifiering i föreliggande arbete med simuleringsdata, de upptäckte att rådande och allmänt använda kritiska tryckmodeller som introducerades i tidigare studier var avsevärt förenklade. Till exempel, dålig beskrivning av vätskeånga-gränssnittsmorfologin fick tillverkade strukturer att vara många gånger mindre och mekaniskt svagare än nödvändigt. Genom att utveckla en mer sofistikerad modell i det nuvarande arbetet, Panter et al. uppnått både kvantitativ noggrannhet för de kritiska trycken och framgångsrikt modellerat de önskade komplexa gränssnittsmorfologierna.

När du studerar den tredje parametern om minimimekanismer för energiovergångar, forskarna identifierade tre misslyckande mekanismer. Till exempel, ett ytdesignfel kan initieras genom ett brett spektrum av ytterligare störningar inklusive flöde, vibration, avdunstning, kondensation, dropppåverkan, ändra elektriska och magnetiska fält eller termiska fluktuationer i nanoskala. I verkliga applikationer, misslyckande kan initieras av en kombination av störningar. För att tillverka en konsistens som är motståndskraftig mot misslyckande, Panter et al. kombinerade därför den maximala energibanan (MEP) för att ta hänsyn till ett värsta scenario med kombinerade misslyckanden. De identifierade tre övergångsvägar som (1) baskontakt (BC), (2) pelarkontakt (PC) och (3) lockkontakt (CC), kvantifierade sedan varje barriär över det strukturella parameterutrymmet. Därefter, de bedömde den mest sannolika mekanismen för energiovergång för en given ytgeometri.

Forskarna genomförde samtidigt samtidig optimering av de identifierade strukturella egenskaperna för att maximera kritiskt tryck, minimera energibarriären och maximera CAH. För detta, de utförde optimal design av två membran för applikationer om vattenrening och digital mikrofluidik. Panter et al. visade också att en genetisk algoritm kan användas för att effektivt lokalisera den optimala designen i parameterutrymmet och designa mer komplexa strukturer för speciella vätbarhetsapplikationer.

På det här sättet, forskarna utvecklade mycket mångsidiga beräkningstekniker för att studera alla mesoskopiskt strukturerade ytor i kontakt med flera vätskefaser. Den mångfacetterade optimeringsstrategin kan förbättras ytterligare för tillförlitlighet och skalbarhet för att kombinera med de senaste framstegen inom tillverkning, inklusive 3D-utskrift och litografiska metoder för att effektivt utforma verkliga superomnifobiska ytor.

© 2019 Science X Network