Moderna applikationer använder självrensande strategier och digitala mikrofluider för att styra enskilda droppar av vätskor på plana ytor men befintliga tekniker begränsas av biverkningarna av höga elektriska fält och höga temperaturer. I en ny studie, Edwin De Jong och medarbetare vid de tvärvetenskapliga avdelningarna för avancerade material, Maskinteknik och komplexa molekylsystem utvecklade en innovativ "mekanisk vätning" -teknik för att styra dropprörelser på föränderliga ytor baserat på gränsytans ytspänning.

För att demonstrera metoden, de transporterade droppar med hjälp av tvärgående vågor på horisontella och vertikalt lutande ytor med hastigheter lika med vågens hastighet. Forskarna fångade den grundläggande mekanismen för mekanisk vätningskraft i teorin och kvantitativt för att fastställa fenomenets beroende av vätskans egenskaper, ytenergi och vågparametrar. Jong et al. visat "mekanisk vätning" som en teknik som kan leda till en rad nya applikationer med droppkontroll genom ytdeformationer. Forskningen publiceras nu på Vetenskapliga framsteg .

I arbetet, Jong et al. kvantifierade de dynamiska fästkrafter som drev mekanisk vätning genom att studera klättringsdropparna i olika storlekar på olika lutningsvinklar. De observerade oväntat stora krafter och kunde driva droppar även mot vertikala väggar med betydande hastigheter. Dropparna kunde plocka förorenande partiklar längs vägen för att visa sin potential i självrensande applikationer. Forskarna fångade de underliggande mekanismerna för dropptransport numeriskt och i teorin för att fastställa dess beroende av flera fysiska parametrar. Jong et al. förvänta dig att tekniken kommer att driva en rad nya applikationer baserade på trefaslinjemanipulering av kontaktvinkeln och genom att byta yt-topografier.

Forskarna byggde en enhet för att generera regelbundna och kontrollerbara tvärgående ytvågor för att experimentellt visa dropptransporter. I sin verkningsmekanism, de sänkte trycket under en film gjord av polydimetylsiloxan (PDMS) fastspänd av en metallram för att skapa en vågliknande ytarkitektur för att säkerställa rent tvärgående vågor. Med hjälp av den experimentella installationen, forskarna kontrollerade droppar som sträcker sig från 0,1 till 5 µL på tvärgående vågor som uppgår till en våglängd på 500 nm som färdas med en hastighet av 0,57 mm/s; lika med hastigheten för den applicerade vågen. Materialforskarna genomförde en kombination av beräkningsvätskedynamik (CFD) simuleringar, teoretisk modellering och enkeldroppsexperiment för numerisk analys av de enskilda dropparna.

Under experimentella beräkningsmodeller, de utvecklade ett openFOAM -ramverk för att skapa en simulering som överensstämde utmärkt med experimenten. För att förstå effektiviteten hos dropptransportmekanismen, forskarna genomförde en serie klättrande droppförsök och simuleringar med enheten lutad i en intressevinkel. Jong et al. visade att när drivkraften för den större droppen var större än gravitationskraften, droppen klättrade uppåt, medan med mindre droppar fick den större gravitationskraften dropparna att glida ner.

Under experimenten identifierade forskarna en "återställande kraft" som drev dropprörelse och kvantifierade detta genom att modellera droppen som en sfärisk keps. De visade den dynamiska pinningkraft som balanserade de motverkande krafterna, som inkluderade statisk fästning, gravitation och viskösa krafter under dropptransport.

De fick de högsta krafterna som kunde genereras i installationen för kontaktvinklar nära 65,5 grader. Dessutom, dropparna på de resande vågorna skulle kunna övervinna betydande gravitationskrafter för att till och med klättra uppför vertikala ytor med en hastighet av 0,57 mm/s. Jong et al. visade millimeterstora droppar som kunde transporteras upp och ner; att demonstrera fenomen som hittills saknat experimentell demonstration.

Under in vitro (i laboratoriet) experiment, forskarna bildade resande våganordning med hjälp av ett transportband konstruerat med elektrisk urladdningsbearbetning med inbyggd hastighetskontroll monterad i en vakuumkammare. De fäster PDMS-filmen gjord genom spinnbeläggning på en aluminiumram placerad ovanpå den exponerade delen av detta bälte. Det låga trycket som skapades i enheten gjorde att PDMS -filmen kunde pressas mot bältet och forskarna kontrollerade vågamplituden genom att kontrollera trycknivån inuti kammaren.

De testade mekanismen med hjälp av flera vätskor inklusive vatten, isopropanol och mineralolja för att visa metoden som en robust, konsekvent och reproducerbar process för att flytta droppar för alla fall. Jong et al. verifierade denna effekt genom att spruta droppar av varierande storlek samtidigt på resande våg. Den observerade mångsidigheten hos mekanisk vätning var anmärkningsvärd jämfört med tidigare metoder med speciella krav. När de undersökte de självrengörande egenskaperna hos den konstruerade rörliga mekaniska vätningsytan, forskarna fann dropparnas förmåga att torka ytan ren från föroreningar. Tekniken tillät kontrollerad dropprörelse att samla skräp på anvisade platser, till skillnad från tidigare självrensande processer baserade på styva och statiska hydrofoba ytor.

På det här sättet, Jong et al. experimentellt demonstrerat klättrande dropprörelse på mekaniska vätande ytor och betonade en nödvändig topografisk deformation vid ytfaslinjen för att påverka balansen i lokal ytspänning och uppnå rörelse. Den nuvarande installationen är begränsad som en experimentell proof-of-concept-enhet om mekanisk vätningsmekanism. Forskarna syftar till att optimera systemet och bygga enheter som kommer att innehålla topografier som mekaniskt kan deformeras som svar på yttre stimuli inklusive ljus, magnetfält och temperatur. De kan också styra splittring och sammanslagning av droppar genom att skapa ytor med två resande vågor som rör sig mot eller bort från varandra.

Edwin Jong och medarbetare tror att mekanisk vätning kan utforskas fullt ut för att öppna nya möjligheter för högprecisions dropphantering i en mängd olika medicinska och industriella tillämpningar baserat på metoden som beskrivs i studien. Droppar som drivs av mekanisk vätning kommer att hitta framtida applikationer inom mikrofluidik för diagnostik och cellhantering/analys och som självrengörande enheter inom medicin, i marina sensorer, fönster och solpaneler, samtidigt som man hittar applikationer för daggskörd.

© 2019 Science X Network