Een nieuw systeem ontwikkeld door ingenieurs van MIT zou het mogelijk kunnen maken om de manier waarop water over een oppervlak beweegt te controleren, alleen licht gebruiken. Deze vooruitgang kan de deur openen naar technologieën zoals microfluïdische diagnostische apparaten waarvan de kanalen en kleppen on-the-fly kunnen worden geherprogrammeerd, of veldsystemen die water van olie kunnen scheiden op een booreiland, zeggen de onderzoekers.

Het systeem, gerapporteerd in het journaal Natuurcommunicatie , is ontwikkeld door MIT universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Kripa Varanasi, School of Engineering, hoogleraar Onderwijsinnovatie Gareth McKinley, voormalig postdoc Gibum Kwon, afgestudeerde student Divya Panchanathan, voormalig onderzoeker Seyed Mahmoudi, en Mohammed Gondal aan de King Fahd University of Petroleum and Minerals in Saoedi-Arabië.

Het oorspronkelijke doel van het project was om manieren te vinden om olie van water te scheiden, bijvoorbeeld, om het schuimige mengsel van zout water en ruwe olie uit bepaalde oliebronnen te behandelen. Hoe grondiger deze mengsels zijn vermengd - hoe fijner de druppeltjes - hoe moeilijker ze te scheiden zijn. Soms worden elektrostatische methoden gebruikt, maar deze zijn energie-intensief en werken niet als het water zeer zout is, zoals vaak het geval is. In plaats daarvan, het team onderzocht het gebruik van "fotogevoelige" oppervlakken, waarvan de reacties op water kunnen worden veranderd door blootstelling aan licht.

Door oppervlakken te creëren waarvan de interactie met water - een eigenschap die bekend staat als bevochtigbaarheid - kan worden geactiveerd door licht, de onderzoekers ontdekten dat ze de olie direct van het water konden scheiden door individuele druppeltjes water te laten samenvloeien en zich over het oppervlak te verspreiden. Hoe meer de waterdruppels samensmelten, hoe meer ze scheiden van de olie.

Fotoresponsieve materialen zijn op grote schaal bestudeerd en gebruikt; een voorbeeld is het actieve ingrediënt in de meeste zonnefilters, titaandioxide, ook wel titaan genoemd. Maar de meeste van deze materialen, inclusief titaan, reageren voornamelijk op ultraviolet licht en nauwelijks op zichtbaar licht. Toch bevindt slechts ongeveer 5 procent van het zonlicht zich in het ultraviolette bereik. Dus bedachten de onderzoekers een manier om het titania-oppervlak te behandelen om het te laten reageren op zichtbaar licht.

Dat deden ze door eerst met een laag-voor-laag depositietechniek een film van polymeergebonden titaniadeeltjes op een laag glas op te bouwen. Daarna dompelden ze het materiaal onder met een eenvoudige organische kleurstof. Het resulterende oppervlak bleek zeer goed te reageren op zichtbaar licht, het veroorzaken van een verandering in bevochtigbaarheid bij blootstelling aan zonlicht die veel groter is dan die van de titania zelf. Wanneer geactiveerd door zonlicht, het materiaal bleek zeer effectief in het "demulgeren" van het olie-watermengsel - waardoor het water en de olie van elkaar werden gescheiden.

"We werden geïnspireerd door het werk in fotovoltaïsche, waar kleurstofsensibilisatie werd gebruikt om de efficiëntie van de absorptie van zonnestraling te verbeteren, ", zegt Varansi. "De koppeling van de kleurstof aan titaniadeeltjes zorgt voor het genereren van ladingsdragers bij lichte verlichting. Hierdoor ontstaat bij verlichting een elektrisch potentiaalverschil tussen het oppervlak en de vloeistof, en leidt tot een verandering in de bevochtigende eigenschappen."

"Ziltig water verspreidt zich onder verlichting over ons oppervlak, maar olie niet, " zegt Kwon, die nu een assistent-professor is aan de Universiteit van Kansas. "We ontdekten dat vrijwel al het zeewater zich over het oppervlak verspreidt en gescheiden wordt van ruwe olie, onder zichtbaar licht."

Hetzelfde effect kan ook worden gebruikt om waterdruppels over een oppervlak te drijven, zoals het team aantoonde in een reeks experimenten. Door selectief de bevochtigbaarheid van het materiaal te veranderen met behulp van een bewegende lichtstraal, een druppel kan worden gericht op het meer bevochtigbare gebied, met grote precisie voortstuwen in elke gewenste richting. Dergelijke systemen kunnen worden ontworpen om microfluïdische apparaten te maken zonder ingebouwde grenzen of structuren. De beweging van vloeistof - bijvoorbeeld een bloedmonster in een diagnostisch lab-on-a-chip - zou volledig worden gecontroleerd door het patroon van verlichting dat erop wordt geprojecteerd.

"Door systematisch de relatie te bestuderen tussen de energieniveaus van de kleurstof en de bevochtigbaarheid van de contactvloeistof, we hebben een raamwerk bedacht voor het ontwerp van deze lichtgeleide vloeistofmanipulatiesystemen, " zegt Varanasi. "Door de juiste soort kleurstof te kiezen, we kunnen een significante verandering in de druppeldynamiek creëren. Het is een door licht veroorzaakte beweging - een aanrakingloze beweging van druppeltjes."

De schakelbare bevochtigbaarheid van deze oppervlakken heeft nog een ander voordeel:ze kunnen grotendeels zelfreinigend zijn. Wanneer het oppervlak wordt omgeschakeld van wateraantrekkend (hydrofiel) naar waterafstotend (hydrofoob), al het water op het oppervlak wordt verdreven, eventuele verontreinigingen mee te nemen die zich hebben opgehoopt.

Aangezien het fotoresponsieve effect is gebaseerd op de kleurstofcoating, het kan sterk worden afgestemd door te kiezen uit de duizenden beschikbare organische kleurstoffen. Alle materialen die bij het proces betrokken zijn, zijn overal verkrijgbaar, goedkoop, goederen materialen, zeggen de onderzoekers, en de processen om ze te maken zijn alledaags.