science >> Wetenschap >  >> Chemie

Veelzijdige ontwerpoptimalisatie voor superomnifobe oppervlakken

Video toont het pijlercontact (PC) mechanisme voor een dubbel inspringende geometrie bij θ° =60°, een oppervlakte-eigenschap die in het onderzoek is geïdentificeerd. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aav7328

In de materiaalkunde, oppervlakken die vloeistoffen met een lage oppervlaktespanning sterk afstoten, worden geclassificeerd als 'superoleofoob, " terwijl vloeistofafstotende middelen met een hoge oppervlaktespanning 'superhydrofoob' zijn en oppervlakken die beide kenmerken vertonen 'superomnifoob' zijn. Superomnifobe oppervlakken vormen de grens van oppervlakteontwerp voor een breed scala aan toepassingen. In een recente studie, J.R. Panter en collega's van het Department of Physics en Procter and Gamble Co. in het VK en de VS hebben rekenmethoden ontwikkeld om systematisch drie belangrijke oppervlaktebevochtigende eigenschappen te ontwikkelen. Deze omvatten contacthoekhysterese, kritische druk en een minimale energetische bevochtigingsbarrière. In de studie, de wetenschappers ontwikkelden kwantitatieve modellen en corrigeerden onnauwkeurige aannames binnen bestaande modellen.

Panter et al. combineerden deze analyses tegelijkertijd om de kracht van de strategie aan te tonen om structuren te optimaliseren voor toepassingen in membraandestillatie en digitale microfluïdica. Door de bevochtigingseigenschappen antagonistisch te koppelen, de wetenschappers implementeerden een veelzijdige benadering om superomnifobe oppervlakken optimaal te ontwerpen. Met behulp van genetische algoritmen, ze maakten een efficiënte optimalisatie mogelijk voor versnellingen tot 10, 000 keer. De resultaten van het onderzoek zijn nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Superomnifobe oppervlakken hebben fysieke micro- en nanotexturen waardoor vloeistoffen met een lage oppervlaktespanning (oliën en alcoholen) op een met damp gevulde oppervlaktestructuur kunnen blijven hangen. Dit vloeistofafscheidende vermogen kan een efficiënte druppelmobiliteit bevorderen met een lage viskeuze weerstand, met transformatief potentieel voor een breed scala aan toepassingen. Deze omvatten duurzame technologieën voor waterzuivering, antimicrobiële strategieën in de biogeneeskunde, anti-vingerafdruk coating technieken, het verminderen van voedselverspilling en veelzijdige biochemische technologieën, op wereldschaal.

LINKS:Simulatie oppervlak configuratie. Illustratie van de 3D simulatie herhalingseenheid, met 2D-dwarsdoorsnede die gelabelde structurele parameters toont. RECHTS:Kwantificering en mechanismen die leiden tot de CAH (contacthoekhysterese) voor inspringende en dubbel inspringende geometrieën bij nul uitgeoefende druk. (A) (i) CAH-afhankelijkheid van zowel de oppervlaktefractie Fr als de totale kaphoogte Dr. Symbolen geven het depinning-mechanisme aan bij terugtrekken, met paarse diamanten die wijzen op een hybride mechanisme. (ii en iii) Vergelijking van de brug-, rand-, en lip-definiërende terugwijkende modellen (vaste lijnen, kleurgecodeerd) tegen de gesimuleerde θr (gegevenspunten); voorbeelden getoond met variërende Fr bij vaste Dr =0,05 en 0,35. De foutbalken van ±1° in de simulatiegegevens zijn te klein om te zien. (B) 3D-visualisatie van de voortschrijdende vloeistof-damp-interface (weergegeven in blauw); de voortbewegingsrichting wordt aangegeven door een zwarte pijl. Zwarte en rode lijnen geven de 2D-doorsneden in het midden en de rand aan die ook worden weergegeven (rechts). (C) (i tot iv) Visualisaties van de vier belangrijkste terugwijkende mechanismen. De terugwijkende richting wordt aangegeven door zwarte pijlen. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aav7328

Recente doorbraken in microfabricage hebben de vorming van complexe structuren mogelijk gemaakt met een resolutie op micrometerschaal, inclusief driedimensionale (3D) printtechnologie, fluïdisatie van polymere micropilaren en lithografische methoden. Ondanks deze zeer veelzijdige technieken, materiaalwetenschappers en natuurkundigen proberen nog steeds te begrijpen hoe oppervlaktestructuren nauwkeurig kunnen worden ontworpen voor optimale prestaties in toepassingen in de echte wereld. Een succesvol omnifoob ontwerp moet drie belangrijke bevochtigingseigenschappen aantonen:(1) een lage contacthoek voor maximale vloeistofmobiliteit, (2) hoge kritische druk voor stabiliteit van de superoleofobe toestand, en (3) een hoge energetische barrière voor falen. Vanwege de complexiteit van het oppervlakontwerp, het verenigen van computationele en experimentele studies kan duur en tijdrovend zijn om deze basis te begrijpen.

In het huidige werk, Panter et al. overwon de uitdagingen van het ontwerpen van superomnifobe bevochtigingseigenschappen door eerst computationele strategieën te ontwerpen om het effect te begrijpen dat structurele parameters hadden op de drie gedefinieerde criteria. Om het belang van veelzijdige optimalisatie te illustreren, gebruikten ze twee relevante voorbeelden van waterzuivering via membraandestillatie en op druppels gebaseerde digitale microfluïdica. De wetenschappers ontwikkelden een genetisch algoritme om gelijktijdige optimalisaties efficiënt uit te voeren met een snelheid tot 10, 000 keer. Deze veelzijdige benadering kan worden gekoppeld aan recente innovaties in complexe oppervlaktemicrofabricagetechnieken om een ​​transformatieve benadering van oppervlakteontwerp te bieden.

Kritische drukanalyse voor inspringende en dubbel inspringende geometrieën. (A) Contourplots van ΔPc-variatie met Fr en Hr voor inspringende (i) en dubbel inspringende (ii) geometrieën. Datapunten markeren de kritische hoogte waarop het faalmechanisme overschakelt van Base Failure (BF) naar Depinned Cap Failure (DCF) of Pinned Cap Failure (PCF), en foutbalken geven de onzekerheid in deze hoogte aan vanwege de diffuse interfacebreedte. Vaste en onderbroken witte lijnen tonen de kritische hoogte op basis van het capillaire model en het 2D-model, respectievelijk. (B) Model past bij ΔPc van de Cap Failure-mechanismen bij Hr =0,25 voor inspringende (i) en dubbel inspringende (ii) geometrieën. (C tot E) De drie faalmechanismen weergegeven in 3D, met bijbehorende diagonale doorsneden. Vloeistofmorfologieën onder kritieke druk worden weergegeven in blauw, de dampfase wordt weergegeven in het wit, en de interface wordt aangegeven met een zwarte ononderbroken lijn. Rode gebieden laten zien hoe de onstabiele meniscus evolueert bij het verhogen van ΔP boven ΔPc. (D en E) Weergaven onder de kap, het benadrukken van de vormen van de contactlijnen bij de kritische druk. (F) Details van de gebruikte 3D horizontale (3DD) en 3D diagonale (3DH) capillaire brugmodellen, met de binnen- en buitenomtrek (blauw) tegen de systeemconfiguratie. De 3D-afbeelding vergelijkt de gesimuleerde vloeistof-dampinterface (lichtblauw) met het horizontale capillaire model (donkerblauw). Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aav7328

De wetenschappers simuleerden eerst het grensvlak van vloeibare damp dat zich voortbeweegt en terugwijkt langs een enkele rij oppervlaktestructuren om hun respectieve contacthoeken en contacthoekhysterese (CAH, d.w.z., het verschil tussen voortschrijdende en teruglopende contacthoeken). Ze rangschikten de variabele afmetingen in een vierkante array en zagen dat de hysterese identiek was voor zowel inspringende als dubbel inspringende geometrieën (geometrieën met een zeer lage vloeistof-vaste stof-contactfractie). Met behulp van de simulatie, de wetenschappers observeerden vier dominante terugwijkende mechanismen om ze in het huidige werk te beschrijven en te modelleren. Daarna, met behulp van de nieuwe modellen Panter et al. kwalitatief getest de terugwijkende modellen voorgesteld in eerdere studies om hun nauwkeurigheid te verifiëren. Ze analyseerden de energetische veranderingen om de hoek te verkrijgen waaronder terugwijking energetisch gunstig werd om de optimale terugwijkingshoek te vormen.

In tegenstelling tot simulaties van CAH, de tweede van belang zijnde parameter voor kritische druk was gevoelig voor de geometrie van het inspringende of dubbele inspringende oppervlak. De wetenschappers observeerden drie faalmechanismen in de kritische drukstudie en kwantificeerden ze als functie van de structurele parameters. Toen ze kwantificering in het huidige werk vergeleken met simulatiegegevens, ze ontdekten dat de heersende en veelgebruikte modellen voor kritische druk die in eerdere onderzoeken waren geïntroduceerd, aanzienlijk te eenvoudig waren. Bijvoorbeeld, slechte beschrijving van de morfologie van het vloeistof-damp grensvlak zorgde ervoor dat gefabriceerde structuren vele malen kleiner en mechanisch zwakker waren dan nodig. Door in het huidige werk een geavanceerder model te ontwikkelen, Panter et al. zowel kwantitatieve nauwkeurigheid van de kritische drukken bereikt en met succes de gewenste complexe grensvlakmorfologieën gemodelleerd.

Het aantonen van een faalmechanisme geïdentificeerd in de studie, video toont het basiscontact (BC) mechanisme voor een dubbel inspringende geometrie bij θ° =60°. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aav7328

Bij het bestuderen van de derde parameter over minimale energietransitiemechanismen, de wetenschappers identificeerden drie faalmechanismen. Bijvoorbeeld, een ontwerpfout van het oppervlak kan worden geïnitieerd door een breed scala aan extra verstoringen, waaronder stroming, trillingen, verdamping, condensatie, druppel impact, veranderende elektrische en magnetische velden of thermische fluctuaties op nanoschaal. In toepassingen in de echte wereld, falen kan worden veroorzaakt door een combinatie van verstoringen. Om een ​​textuur te maken die bestand is tegen falen, Panter et al. combineerde daarom het maximale energiepad (MEP) om rekening te houden met een worstcasescenario van gecombineerde storingen. Ze identificeerden drie overgangsroutes als (1) basiscontact (BC), (2) pijlercontact (PC) en (3) kapcontact (CC), kwantificeerde vervolgens elke barrière over de structurele parameterruimte. Daarna, ze beoordeelden het meest waarschijnlijke mechanisme van energietransitie voor een bepaalde oppervlaktegeometrie.

De wetenschappers voerden vervolgens gelijktijdige optimalisatie uit van de geïdentificeerde structurele kenmerken om de kritische druk te maximaliseren, minimaliseer de energiebarrière en maximaliseer de CAH. Voor deze, ze voerden een optimaal ontwerp uit van twee membranen voor toepassingen op waterzuivering en digitale microfluïdica. Panter et al. toonde ook aan dat een genetisch algoritme kan worden gebruikt om efficiënt het optimale ontwerp in de parameterruimte te lokaliseren en complexere structuren te ontwerpen voor speciale bevochtigingstoepassingen.

Gelijktijdige optimalisatie van de drie bevochtigingseigenschappen voor membraandestillatie en digitale microfluïdische toepassingen. (A) (i) 3D-contourplot van de scorefunctie van de membraandestillatie bij vaste Hr =0,3, Ar =0,05, en tr =0,05. Elk oppervlak is een oppervlak met een constante score. (ii) Een 2D-plak van de 3D-contourplot bij de optimale Lr =0,17. Vierkante datapunten tonen de initiaal (wit), tweede (lichtgrijs), vijfde (donkergrijs), en laatste (zwarte) generaties van het genetische algoritme, geprojecteerd op het 2D-vlak. (B) Scorefunctie voor de digitale microfluïdische toepassing, geprojecteerd op het Hr =0,3 vlak bij vaste B =100 m, toont ook de opeenvolgende generaties van de populatie van genetische algoritmen. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aav7328

Op deze manier, de wetenschappers ontwikkelden zeer veelzijdige computationele technieken om elk mesoscopisch gestructureerd oppervlak te bestuderen dat in contact komt met meerdere vloeistoffasen. De veelzijdige optimalisatiestrategie kan verder worden verbeterd voor betrouwbaarheid en schaalbaarheid om te koppelen aan recente ontwikkelingen in fabricage, waaronder 3D-printen en lithografische methoden om op efficiënte wijze real-world superomnifobe oppervlakken te ontwerpen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk