En liten vattendroppe är på väg, tar fart när den glider längs en sträcka av tunn, platt terräng. Tvärt, den träffar en grov fläck – den mikroskopiska motsvarigheten till glasfartgupp i vilka droppen sätter sig och stannar död.

Droppen verkar parkerad, förankrat på plats. Men till skillnad från sina makromotsvarigheter, dessa minifartgupp är lätta att platta till. Stephen Morin skulle veta; han övervakade deras konstruktion. Så kemisten vid University of Nebraska–Lincoln fortsätter att sträcka det elastiska materialet som de sitter på, jämna ut vägen, och droppen går av igen, pilar över den perfekt horisontella ytan.

Stop-and-go bedriften är bara en av flera som Morin Group har avslöjat via sitt senaste äktenskap av kemi och elastiska polymerer. Frukterna av det äktenskapet? Oöverträffad kontroll över transporten av mikroskopiska droppar, potentiellt ge nya metoder för självrengörande material, vattenupptagningstekniker och andra, mer sofistikerade tekniker.

Centralt i teamets tillvägagångssätt är konceptet med vätbarhet – oavsett om en droppe pärlar sig eller breder ut sig på en yta, avslöjar den ytan som antingen hydrofob eller hydrofil, respektive. Inspirerad av en del banbrytande forskning från början av 1990-talet, Morin och hans labb började skapa vätbarhetsgradienter:ytor täckta av små kemiska "ramper" som gör dem hydrofoba i ena änden men hydrofila i den andra.

"Det visar sig att om du har ett sådant kemiskt mönster, när du placerar en droppe i den hydrofoba änden, denna vätbarhetsgradient kommer spontant att driva droppen till den hydrofila sidan, sa Morin, docent i kemi i Nebraska.

Även om ett intressant fenomen i sig, Morin och doktorand Ali Mazaltarim ville se om de kunde anpassa den passiva transporten till en aktiv, dynamisk process som bättre lämpar sig för tillämpningar. De vände sig till de typer av elastiska material som Morins team har belagt med kemiska mönster sedan 2015, om man ska tillverka ytor som reflekterar ljus endast när de sträcks eller filtrera partiklar baserat på form.

Som det ofta gjorde förr, laget började med en mjuk, smidig silikonfilm. Forskarna sträckte den filmen innan de behandlade den med ultraviolett ozon för att producera ett mikroskopiskt tunt lager av kiseldioxid, den primära komponenten i de flesta glas. De belade sedan vissa delar av kiseldioxiden med täta snår av vattenavvisande molekyler; andra sektioner lämnades mestadels eller helt kala, skapa en vätbarhetsgradient som kan driva droppar från det hydrofoba till det hydrofila.

Att få lite kontroll i realtid över rörelsen av dessa droppar var sedan en enkel och bokstavlig fråga om att släppa taget. Avslappnande av den försträckta silikonfilmen introducerade rynkor i kiseldioxiden, liknande hur ett plåster placerat över armbågen på en böjd arm kommer att rynka sig när armen rätas ut. Morins team misstänkte att dessa rynkor kunde introducera tillräckligt med grovhet för att sakta ner dropparnas hastighet, även på de hydrofoba sträckorna av ytan.

Experiment bekräftade hypotesen:I sin helt avslappnade, skrynkligt tillstånd, de hydrofoba sträckorna kunde stoppa dropparna tillsammans; i sin helt spända, slätt tillstånd, de transporterade dropparna som vanligt.

Forskarna har sedan dess finslipat den kontrollen genom att sträcka och slappna av filmerna för att starta och stoppa dropparna sekund för sekund. De har till och med visat förmågan att utmana gravitationen, att transportera droppar uppför sluttningar som är brantare än de som rapporterats i tidigare forskning.

Rough riders

Whether, and how fast, a droplet will move depends in part on the severity of a wettability gradient. When the transition from hydrophobic to hydrophilic occurs over a short distance, the droplets speed across the surface; when that transition stretches over a longer distance, the droplets lumber at a slower pace. The "steeper" the gradient, med andra ord, the greater the driving force and velocity of the droplets. Andra faktorer, including droplet size, are well-known contributors, för.

But the team was also finding that its acceleration and braking systems depended not just on the presence of the microscopic speed bumps, but also their height and spacing, both of which seemed to be influencing droplet velocity. From a mathematical and theoretical standpoint, the team realized, the roughness of the surface wasn't getting its due.

To better understand and predict how roughness was affecting droplet transport, Morin and Mazaltarim incorporated the variable into a couple of equations that are traditionally used to quantify the phenomenon. After some tweaking and experimental verification, their resulting model predicted the specific roughness needed to slow or stop a droplet of any given size—along with the minimum size needed to overcome that roughness and other factors that resist a droplet's movement.

Den där, i tur och ordning, allowed the team to craft surfaces that would transport larger droplets while leaving smaller ones in place, or trigger the departure of the latter only when stretching the elastic film beyond a certain threshold. And that, the team said, could prove useful in sorting different liquids for analytical or other purposes.

The ability of such a simple technique to yield such precise, predictable behavior makes it promising for a range of other applications, Morin said. The team has already illustrated its potential in self-cleaning materials by dirtying an elastic surface with metal dust, then stretching it to trigger a cascade of droplets that carried away all dust in their path. The harvesting of water for urban agriculture, livestock or potable water might benefit from a similar approach.

"You could imagine fabrics where you collect droplets at one section, " Morin said, "and then you actuate the surface, which then drives them to some sort of a storage container."

There's also the possibility of expanding on the functionality of materials that are designed to remove sweat from skin or droplets from other surfaces. The latter could potentially help cool energy-generating systems that produce sizable amounts of heat.

"A lot of research in that area focuses on hydrophobic and superhydrophobic surfaces that have unique heat-exchange properties, " Morin said. "One could use the evaporative cooling effect of sweat as inspiration. But we imagine a more active system, where you're literally using a droplet to collect heat and then actively moving it somewhere else to remove that heat.

"That's a good thing if you're actively trying to cool any sort of a device. This just presents a new way of achieving that type of outcome."

Further down the line, Morin sees promise for calibrating the technique to transport droplets in two dimensions rather than just one. Managing that, han sa, could make it a viable alternative in so-called lab-on-a-chip technologies that direct, mix and then analyze microscopic samples of liquids.

"We have the ability to really dial in the properties of the gradients and how they couple to the micro-texture of the surface, " Morin said. "So I think there's a lot of leeway in terms of how you design the system to get a specific performance outcome."

The team reported its findings in the journal Naturkommunikation .