Forskare vid institutionen för maskinteknik vid University of Hong Kong (HKU) har gjort ett viktigt genombrott inom droppmanipulation. De har upptäckt ett innovativt sätt att navigera i vätskor på en yta i frånvaro av yttre kraft eller energi.

Droplet liknar en boll. Droppkontroll i planet liknar snooker där bollarna är riktade för att röra sig längs önskad bana, en funktion som värderas högt för värmehantering, avsaltning, material självleverans, och många andra applikationer.

Konventionellt, forskare tillverkar kemisk vätningsgradient eller asymmetriska mikrotexturer för att få droppar i rörelse, liknande att designa ett transportband för att transportera bollarna. För första gången, RGC postdoktor Dr. TANG Xin, Postdoktor Dr. LI Wei, och ordförande professor i termisk vätskevetenskap och teknik WANG Liqiu från HKU Department of Mechanical Engineering upptäckte att när en kall/het eller flyktig droppe frigörs på en smord piezoelektrisk kristall (litiumniobat) vid omgivningstemperatur, droppen driver omedelbart en lång sträcka (vilket kan vara ~50 gånger droppradien) i furkerade vägar. Beroende på kristallplanet som gränsar till droppen, självframdrivningen kan vara enkelriktad, grenad, och till och med tredelad.

Upptäckten har publicerats i Naturens nanoteknik i en artikel med titeln "Furcated Droplet Motility on Crystalline Surfaces".

"Detta är ett oförutsett fenomen med långtgående konsekvenser. Droppar med en temperaturskillnad mild vid 5 °C på en yta kan genomgå självförsörjande framdrivning. Föreställ dig att placera en boll på ett perfekt jämnt och jämnt bord, istället för att förbli statisk, bollen rullar av sig själv. Ännu mer överraskande är att bollen bara automatiskt rullar mot vissa bestämda riktningar, " sa professor Wang Liqiu.

Forskarna har funnit att den i sig orienterade vätskerörelsen drivs av termo-piezoelektrisk koppling i tvärskala som orsakas av kristallstrukturens anisotropi. Detta liknar att ett slätt bord är atomärt arrangerat på ett ovanligt sätt så att en symmetrisk värmekälla kan alstra asymmetriskt elektriskt fält som driver en boll i rörelse i en riktning som bestäms av skärriktningen för bordsytan.

"Arbetet möjliggör ett innovativt sätt att leverera och transportera vätskor med kontrollerbarhet, mångsidighet och prestanda, och ger ledtrådar för att lösa några långvariga utmaningar som anti-isning, avfrostning och antifog i fuktiga miljöer, " sa Dr. Tang Xin.

När en droppe träffar ett underkylt substrat, såsom det på en flygplansvinge och strömkabel, det fryser snabbt och fäster på ytan. I detta fall, den spontana elektriska kraften som genereras av kristallen kan störa den kärnbildande droppen, potentiellt minskande gränssnittsvidhäftning och fördröjning av skadlig isbildning.

Självframdrivning kommer också att förbättra prestanda för droppvis kondens genom att ta bort växande kondensat från ytan, den termiska barriären, och därmed potentiellt tillhandahålla en mycket lovande lösning för dropphantering i rymden där gravitationsassisterad droppavgivning saknas.

Dessutom, de furkerade vägarna kan väljas selektivt genom att lägga till externa störningar såsom subtila elektriska fält. På det här sättet, ytan kan fungera som en två- eller trevägs planventil för att leverera droppar som innehåller information, kemiska eller biologiska nyttolaster.

"Klart, detta nya tillvägagångssätt för vätskemanipulation fungerar för en mängd olika vätskor och piezoelektriska kristaller, därmed öppnar möjligheter för vidare forskning, och utveckling av nya material och teknologier, " sa Dr Li Wei.