Moderne toepassingen maken gebruik van zelfreinigende strategieën en digitale microvloeistoffen om individuele vloeistofdruppels op vlakke oppervlakken te controleren, maar bestaande technieken worden beperkt door de bijwerkingen van hoge elektrische velden en hoge temperaturen. In een nieuwe studie, Edwin De Jong en medewerkers van de interdisciplinaire afdelingen Advanced Materials, Werktuigbouwkunde en Complex Molecular Systems hebben een innovatieve "mechanische techniek" ontwikkeld om de beweging van druppeltjes op veranderende oppervlakken te regelen op basis van de oppervlaktespanning van het grensvlak.

Om de methode te demonstreren, ze vervoerden druppels met behulp van transversale golven op horizontale en verticaal hellende oppervlakken met snelheden gelijk aan de snelheid van de golf. De wetenschappers hebben het fundamentele mechanisme van de mechanowetting-kracht in theorie en kwantitatief vastgelegd om de afhankelijkheid van het fenomeen van de eigenschappen van de vloeistof vast te stellen, oppervlakte-energie en golfparameters. Jong et al. demonstreerde "mechanowetting" als een techniek die kan leiden tot een reeks nieuwe toepassingen met druppelcontrole door oppervlaktevervormingen. Het onderzoek is nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

In productie, Jong et al. kwantificeerde de dynamische pinning-krachten die mechanowetting aandreven door de klimdruppels van verschillende groottes onder verschillende hellingshoeken te bestuderen. Ze observeerden onverwacht grote krachten en konden met aanzienlijke snelheden zelfs druppels tegen verticale wanden drijven. De druppeltjes konden onderweg vervuilende deeltjes oppikken om hun potentieel in zelfreinigende toepassingen aan te tonen. De wetenschappers hebben de onderliggende mechanismen van druppeltransport numeriek en in theorie vastgelegd om de afhankelijkheid van meerdere fysieke parameters vast te stellen. Jong et al. verwacht dat de techniek een reeks nieuwe toepassingen zal aansturen op basis van driefasige lijnmanipulatie van de contacthoek en door het wisselen van oppervlaktetopografieën.

De wetenschappers bouwden een apparaat om regelmatige en controleerbare transversale oppervlaktegolven te genereren om druppeltransport experimenteel aan te tonen. In zijn werkingsmechanisme, ze verlaagden de druk onder een film gemaakt van polydimethylsiloxaan (PDMS) geklemd door een metalen frame om een ​​golfachtige oppervlaktearchitectuur te creëren om puur transversale golven te garanderen. Met behulp van de experimentele opstelling, de wetenschappers controleerden druppeltjes variërend van 0,1 tot 5 µL op transversale golven die goed waren voor een golflengte van 500 nm met een snelheid van 0,57 mm/s; gelijk aan de snelheid van de toegepaste golf. De materiaalwetenschappers hebben een combinatie van computational fluid dynamics (CFD)-simulaties uitgevoerd, theoretische modellering en experimenten met één druppel om de individuele druppeltjes numeriek te analyseren.

Tijdens de computationele modelleringsexperimenten, ze ontwikkelden een openFOAM-raamwerk om een ​​simulatie te maken die uitstekend overeenkwam met de experimenten. Om de effectiviteit van het druppeltransportmechanisme te begrijpen, de wetenschappers voerden een reeks experimenten met klimmende druppeltjes en simulaties uit met het apparaat onder een bepaalde hoek gekanteld. Jong et al. toonde aan dat wanneer de drijvende kracht voor de grotere druppel groter was dan de zwaartekracht, de druppel klom omhoog, terwijl bij kleinere druppeltjes de grotere zwaartekracht ervoor zorgde dat de druppeltjes naar beneden glijden.

Tijdens de experimenten identificeerden de wetenschappers een "herstelkracht" die de beweging van de druppel veroorzaakte en kwantificeerden dit door de druppel te modelleren als een bolvormige dop. Ze toonden de dynamische speldkracht die de tegenkrachten in evenwicht hield, inclusief statische pinning, zwaartekracht en viskeuze krachten tijdens druppeltransport.

Ze verkregen de hoogste krachten die in de opstelling konden worden gegenereerd voor contacthoeken van bijna 65,5 graden. In aanvulling, de druppels op de lopende golven konden aanzienlijke zwaartekrachten overwinnen om zelfs verticale oppervlakken te beklimmen met een snelheid van 0,57 mm/s. Jong et al. toonde druppels ter grootte van een millimeter die ondersteboven konden worden vervoerd; om verschijnselen aan te tonen die tot nu toe geen experimentele demonstratie hadden.

Tijdens de in vitro (in lab) experimenten, de wetenschappers vormden het lopende golfapparaat met behulp van een transportband die was geconstrueerd met behulp van elektrische ontladingsbewerking met ingebouwde snelheidsregeling gemonteerd in een vacuümkamer. Ze bevestigden de PDMS-film die was gemaakt door spincoating op een aluminium frame dat bovenop het blootgestelde deel van deze riem was geplaatst. Door de lage druk die in het apparaat werd gecreëerd, kon de PDMS-film tegen de riem worden gedrukt en de wetenschappers controleerden de golfamplitude door het drukniveau in de kamer te regelen.

Ze testten het mechanisme met verschillende vloeistoffen, waaronder water, isopropanol en minerale olie om de methode te laten zien als een robuuste, consistent en reproduceerbaar proces om druppels voor alle gevallen te verplaatsen. Jong et al. bevestigde deze werkzaamheid door druppels van verschillende groottes tegelijkertijd op de lopende golf te sproeien. De waargenomen veelzijdigheid van mechanowetting was opmerkelijk in vergelijking met eerdere methoden met speciale vereisten. Toen ze de zelfreinigende eigenschappen van het geconstrueerde bewegende mechanowetting-oppervlak onderzochten, de onderzoekers vonden het vermogen van de druppeltjes om het oppervlak schoon te vegen van verontreiniging. De techniek maakte gecontroleerde druppelbeweging mogelijk om puin op aangewezen locaties te verzamelen, in tegenstelling tot eerdere zelfreinigende processen op basis van stijve en statische hydrofobe oppervlakken.

Op deze manier, Jong et al. experimenteel gedemonstreerde beweging van klimmende druppeltjes op mechanowetting-oppervlakken en benadrukte een vereiste topografische vervorming aan de driefasige oppervlaktelijn om de balans van lokale oppervlaktespanning te beïnvloeden en beweging te bereiken. De huidige opstelling is beperkt als een experimenteel proof-of-concept-apparaat op het mechanisme van mechanowetting. De wetenschappers streven ernaar het systeem te optimaliseren en apparaten te bouwen met topografieën die mechanisch kunnen vervormen als reactie op externe stimuli, waaronder licht, magnetische velden en temperatuur. Ze kunnen ook het splitsen en samenvoegen van druppels regelen door oppervlakken te creëren met twee lopende golven die naar elkaar toe of van elkaar af bewegen.

Edwin Jong en collega's zijn van mening dat mechanowetting volledig kan worden onderzocht om nieuwe mogelijkheden te openen voor zeer nauwkeurige druppelbehandeling in een verscheidenheid aan medische en industriële toepassingen op basis van de methode die in het onderzoek wordt beschreven. Druppeltjes aangedreven door mechanowetting zullen toekomstige toepassingen vinden in microfluïdica voor diagnostiek en celbehandeling/analyse en als zelfreinigende apparaten in de geneeskunde, in mariene sensoren, ramen en zonnepanelen, terwijl het ook toepassingen vindt bij het oogsten van dauw.

© 2019 Wetenschap X Netwerk