Mikrodroppar hittar mångsidiga tillämpningar inom områdena kemi, materialvetenskap och biokemi, särskilt inom kemiteknik och biokemisk mikrofluidik som mikroreaktorer och biosensorer. Att uppnå exakt kontroll över mikrodroppar i deras form, storlek och kontaktvinkel (CA) är särskilt avgörande för applikationer som exakt kontroll av tryck-/beläggningsmönstren och kemiska reaktioner.
Aktuell forskning utnyttjar kapillär- och kanteffekterna av strukturerade ytor med mikropelare för att uppnå vissa polygonala mönster av vätskedroppar. Men när den ges en specifik vätske/material-kombination, speciellt för superhydrofila (eller helt vätande) ytor, begränsas den uppnåbara kontaktvinkeln av den konventionella Gibbs-ekvationen som vanligtvis används för att komma åt CA för en makrodropp på grova ytor. Mikrodropparnas kontaktformer är begränsade till vissa polygoner. Att uppnå exakt kontroll över mikrodroppar med godtyckliga former och ett brett utbud av CA har länge varit en utmaning.
I en studie publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , Prof. Gao Yuruis grupp från National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) vid den kinesiska vetenskapsakademin, som samarbetar med Prof. Zeng Xiaocheng från City University of Hong Kong och Prof. Francisco Joseph S. från University of Pennsylvania, anställd fotolitografitekniker och efterföljande bearbetning, tillverkade en klass av strukturerade ytor med koncentriska slutna mikroväggar/mikrokanaler, vilket möjliggör exakt kontroll av mikrodroppar med ett brett utbud av CA, och hög form- och mönsteravstämning.
Baserat på begreppet "topologiska vätande tillstånd" konstruerade forskarna en mängd olika ytor med homocentriska ortorhombiska mikroväggar/mikrokanaler med slutna slingor med hjälp av litografitekniker. Dessa ytor uppvisade exakta mikroväggskantvinklar på 90° och, med applicering av UV/ozonbehandling, uppnåddes en inre kontaktvinkel på 0°. På dessa ytor med slutna slingstrukturer observerades topologiska vätningstillstånd.
På grund av ytstrukturernas slutna-loop-topologi uppvisade mikrodropparna flera Wenzel-tillstånd med sina trefasiga kontaktlinjer fästa vid den yttre kanten av mikroväggen. och CA kan varieras mycket från 0 till 130°. Genom att designa formen på homocentriska mikroväggar kan mikrodropparnas kontaktyta och storlek kontrolleras effektivt också, vilket möjliggör bildning av inte bara regelbundna former som cirklar, trianglar och fyrkanter, utan också av oregelbundna mönster som hjärtformade former.
Dessutom utökade forskarna kontrollen till dimensionen CA. De föreslog kontroll över ett brett område (från 0 till>130°), särskilt för i sig helt vätande yta/vätskekombinationer, genom att utnyttja droppavdunstning och geometrin med nära slinga.
Intressant nog upptäckte forskarna ett vätningsfenomen som utmanar den traditionella Gibbs-ekvationen när det gäller att beskriva droppen vid dess gränser:oavsett formen på den slutna slingastrukturen förblir mikrodroppens maximala CA stabil runt 130°, och avviker till stor del från vinkeln gräns förutspådd av Gibbs ekvation baserat på makroskala kanteffekter.
Detta fynd antydde att Gibbs ekvation, som traditionellt används för att komma åt CA för makrodroppar på grova ytor, kanske inte är tillämplig på mikro- eller nanoskala. Denna slutsats är tillämplig på olika vätskor, inklusive isopropanol, etanol, dekan och oktan som beaktas i denna studie.
Genom oberoende simuleringar av molekylär dynamik tillskrev forskarna denna stora avvikelse från Gibbs ekvationsförutsägelse till en kumulativ effekt av interaktion mellan vatten och yta och kantens atomära struktur. De föreslog att man skulle lägga till en korrigeringsterm till Gibbs ekvation för att ta itu med den uppenbara avvikelsen.
"Detta arbete visade slutna mikrostrukturer med välkontrollerade ortorhombiska kanter, vilket möjliggör en jämförande analys av droppens kontaktvinkel och kantvinkel. Det ger sammanställning av bevis på behovet av den modifierade Gibbs-ekvationen på mikro- eller nanoskala och den erhållna droppar som kan kontrolleras exakt ger möjlighet till noggrann mätning av droppar.
"Det har implikationer för att utnyttja kontrollerbara mikrodroppar inom områden som mikrofluidik, kemiska reaktioner och biosensing, och erbjuder nya möjligheter för materialtillverkning och grön syntes", säger Prof. Gao.
Mer information: Dongdong Lin et al, Topologiska vätningstillstånd för mikrodroppar på strukturerade ytor med slutna slingor:Nedbrytning av Gibbs-ekvationen i mikroskala, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2315730121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
