Wetenschap
Microfabricage zorgt ervoor dat microdruppels patroongehoorzaam zijn, maar de Gibbs-vergelijking ongehoorzaam
Microdruppeltjes vinden veelzijdige toepassingen op het gebied van de chemie, materiaalkunde en biochemie, met name in de chemische technologie en biochemische microfluïdica zoals microreactoren en biosensoren. Het bereiken van nauwkeurige controle over microdruppels in hun vorm, grootte en contacthoek (CA) is vooral cruciaal voor toepassingen zoals nauwkeurige controle van de print-/coatingpatronen en chemische reacties.
Huidig onderzoek maakt gebruik van de capillaire en randeffecten van gestructureerde oppervlakken met micropilaren om bepaalde veelhoekige patronen van vloeistofdruppels te bereiken. Wanneer echter een specifieke vloeistof/materiaal-combinatie wordt gegeven, vooral voor superhydrofiele (of volledig bevochtigende) oppervlakken, wordt de haalbare contacthoek beperkt door de conventionele Gibbs-vergelijking die doorgaans wordt gebruikt om toegang te krijgen tot de CA van een macrodruppel op ruwe oppervlakken. De contactvormen van de microdruppeltjes zijn beperkt tot bepaalde polygonen. Het bereiken van nauwkeurige controle over microdruppels met willekeurige vormen en een breed scala aan CA's is lange tijd een uitdaging geweest.
In een studie gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences , de groep van prof. Gao Yurui van het National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) van de Chinese Academie van Wetenschappen, in samenwerking met prof. Zeng Xiaocheng van de City University of Hong Kong en prof. Francisco Joseph S. van de Universiteit van Pennsylvania, in dienst fotolithografietechnieken en daaropvolgende verwerking hebben een klasse van gestructureerde oppervlakken gefabriceerd met concentrische microwanden/microkanalen met gesloten lus, wat nauwkeurige controle van microdruppels met een breed scala aan CA's mogelijk maakt, en een hoge vorm- en patroonafstembaarheid.
Gebaseerd op het idee van 'topologische bevochtigingstoestanden', hebben de onderzoekers met behulp van lithografische technieken een verscheidenheid aan oppervlakken ontworpen met homocentrische orthorhombische microwanden/microkanalen met gesloten lus. Deze oppervlakken vertoonden nauwkeurige microwandrandhoeken van 90° en bereikten, met de toepassing van UV/ozonbehandeling, een intrinsieke contacthoek van 0°. Op deze oppervlakken met gesloten lusstructuren werden topologische bevochtigingstoestanden waargenomen.
Vanwege de gesloten-lustopologie van de oppervlaktestructuren vertoonden de microdruppeltjes meerdere Wenzel-toestanden met hun driefasige contactlijnen vastgemaakt aan de buitenrand van de microwand. en de CA kan ruim worden gevarieerd van 0 tot 130°. Door de vorm van homocentrische microwanden te ontwerpen, kunnen het contactoppervlak en de grootte van de microdruppels ook effectief worden gecontroleerd, waardoor niet alleen de vorming van regelmatige vormen zoals cirkels, driehoeken en vierkanten mogelijk wordt, maar ook van onregelmatige patronen zoals hartvormige vormen. P>
Bovendien breidden de onderzoekers de controle uit naar de dimensie van CA. Ze stelden controle voor over een breed bereik (van 0 tot>130°), vooral voor intrinsiek volledig bevochtigende combinaties van oppervlak en vloeistof, door gebruik te maken van druppelverdamping en de close-loop-geometrie.
Interessant is dat de onderzoekers een bevochtigingsfenomeen hebben ontdekt dat de traditionele Gibbs-vergelijking uitdaagt bij het beschrijven van druppeltjes aan de grenzen ervan:ongeacht de vorm van de gesloten-lusstructuur blijft de maximale CA van de microdruppel stabiel op ongeveer 130°, grotendeels afwijkend van de hoek limiet voorspeld door de Gibbs-vergelijking op basis van randeffecten op macroschaal.
Deze bevinding suggereerde dat de Gibbs-vergelijking, traditioneel gebruikt voor toegang tot de CA van macrodruppels op ruwe oppervlakken, mogelijk niet toepasbaar is op micro- of nanoschaal. Deze conclusie is van toepassing op verschillende vloeistoffen, waaronder isopropanol, ethanol, decaan en octaan die in dit onderzoek worden onderzocht.
Door middel van onafhankelijke moleculaire dynamica-simulaties schreven de onderzoekers deze grote afwijking van de voorspelling van de Gibbs-vergelijking toe aan een cumulatief effect van interactie tussen water en oppervlak en de atomaire structuur van de rand. Ze stelden voor een correctieterm aan de Gibbs-vergelijking toe te voegen om de schijnbare afwijking aan te pakken.
"Dit werk demonstreerde microstructuren met gesloten lus met goed gecontroleerde orthorhombische randen, waardoor een vergelijkende analyse van de contacthoek van de druppel en de randhoek mogelijk werd. Het levert bewijsmateriaal op over de noodzaak van de gemodificeerde Gibbs-vergelijking op micro- of nanoschaal en de verkregen Druppels die nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd, bieden een mogelijkheid voor het nauwkeurig meten van druppels.
"Het heeft implicaties voor het exploiteren van controleerbare microdruppels op gebieden als microfluïdica, chemische reacties en biosensoren, en biedt nieuwe mogelijkheden voor materiaalproductie en groene synthese", aldus prof. Gao.