Ett nytt system utvecklat av ingenjörer vid MIT kan göra det möjligt att styra hur vatten rör sig över en yta, använder bara ljus. Detta framsteg kan öppna dörren till teknik som mikrofluidiska diagnostiska enheter vars kanaler och ventiler kan omprogrammeras i farten, eller fältsystem som kan separera vatten från olja vid en borrigg, säger forskarna.

Systemet, rapporteras i tidningen Naturkommunikation , utvecklades av MIT -docent i maskinteknik Kripa Varanasi, Tekniska högskolan Professor i undervisningsinnovation Gareth McKinley, tidigare postdoc Gibum Kwon, doktorand Divya Panchanathan, tidigare forskare Seyed Mahmoudi, och Mohammed Gondal vid King Fahd University of Petroleum and Minerals i Saudiarabien.

Det ursprungliga målet med projektet var att hitta sätt att separera olja från vatten, till exempel, för att behandla den skummande blandningen av saltvatten och råolja som produceras från vissa oljebrunnar. Ju mer grundligt dessa blandningar blandas - ju finare dropparna är - desto svårare är det att skilja dem. Ibland används elektrostatiska metoder, men dessa är energikrävande och fungerar inte när vattnet är mycket saltlöst, som ofta är fallet. Istället, teamet undersökte användningen av "fotoresponsiva" ytor, vars svar på vatten kan ändras genom exponering för ljus.

Genom att skapa ytor vars interaktioner med vatten - en egenskap som kallas vätbarhet - kan aktiveras av ljus, forskarna fann att de direkt kunde separera oljan från vattnet genom att få enskilda vattendroppar att samlas och spridas över ytan. Ju mer vattendropparna smälter samman, ju mer de skiljer sig från oljan.

Fotoresponsiva material har studerats och använts i stor utsträckning; ett exempel är den aktiva ingrediensen i de flesta solskyddsmedel, titandioxid, även känd som titania. Men de flesta av dessa material, inklusive titania, reagerar främst på ultraviolett ljus och knappast alls på synligt ljus. Ändå är bara cirka 5 procent av solljuset i det ultravioletta området. Så forskarna kom fram till ett sätt att behandla titanytan för att göra den lyhörd för synligt ljus.

De gjorde det genom att först använda en lager-för-lager-deponeringsteknik för att bygga upp en film av polymerbundna titandioxidpartiklar på ett glasskikt. Sedan doppbelagde de materialet med ett enkelt organiskt färgämne. Den resulterande ytan visade sig vara mycket lyhörd för synligt ljus, ger en förändring i vätbarheten när den utsätts för solljus som är mycket större än titanens själv. När den aktiveras av solljus, materialet visade sig vara mycket effektivt för att "demulgera" olja-vatten-blandningen-få vatten och olja att separera från varandra.

"Vi inspirerades av arbetet med solceller, där färgämnesensibilisering användes för att förbättra effektiviteten för absorption av solstrålning, "säger Varansi." Kopplingen av färgämnet till titanpartiklar möjliggör generering av laddningsbärare vid ljusbelysning. Detta skapar en elektrisk potentialskillnad som ska fastställas mellan ytan och vätskan vid belysning, och leder till en förändring av vätningsegenskaperna. "

"Saltvatten sprids ut på vår yta under belysning, men olja gör det inte, "säger Kwon, som nu är biträdande professor vid University of Kansas. "Vi fann att nästan allt havsvatten kommer att spridas ut på ytan och separeras från råolja, under synligt ljus. "

Samma effekt kan också användas för att driva vattendroppar över en yta, som teamet visat i en rad experiment. Genom att selektivt ändra materialets vätbarhet med hjälp av en rörlig ljusstråle, en droppe kan riktas mot det mer vätbara området, driva den i önskad riktning med stor precision. Sådana system kan utformas för att göra mikrofluidiska enheter utan inbyggda gränser eller strukturer. Flytningen av vätska-till exempel ett blodprov i ett diagnostiskt laboratorium-på-ett-chip-skulle helt styras av belysningsmönstret som projiceras på det.

"Genom att systematiskt studera sambandet mellan färgämnets energinivåer och vätbarheten hos den kontaktande vätskan, vi har kommit med ett ramverk för utformningen av dessa ljusstyrda vätskemanipuleringssystem, "Säger Varanasi." Genom att välja rätt typ av färgämne, vi kan skapa en betydande förändring av droppdynamiken. Det är ljusinducerad rörelse - en beröringsfri rörelse av droppar. "

De här ytornas omkopplingsbara vätbarhet har en annan fördel:De kan till stor del vara självrensande. När ytan byts från vattentraktande (hydrofil) till vattenavvisande (hydrofob), allt vatten på ytan drivs av, bär med sig eventuella föroreningar som kan ha byggts upp.

Eftersom den fotoresponsiva effekten är baserad på färgämnet, det kan stämmas mycket genom att välja bland tusentals tillgängliga organiska färgämnen. Allt material som är involverat i processen är allmänt tillgängligt, billig, råvarumaterial, säger forskarna, och processerna för att göra dem är vanliga.