Druppels transporteren op vaste oppervlakken met hoge snelheid en lange afstanden zonder extra kracht, zelfs tegen de zwaartekracht in, is een formidabele taak. Maar een onderzoeksteam bestaande uit wetenschappers van de City University of Hong Kong (CityU) en drie andere universiteiten en onderzoeksinstituten heeft onlangs een nieuw mechanisme bedacht om druppeltjes met recordhoge snelheid en afstand te transporteren zonder extra energie-invoer, en druppels kunnen langs een verticaal oppervlak omhoog worden bewogen, wat nog nooit eerder is bereikt. De nieuwe strategie om de beweging van druppeltjes te beheersen, kan nieuwe mogelijkheden bieden voor toepassingen in microfluïdische apparaten, bio-analytische apparaten en meer.

De conventionele methoden voor het transporteren van druppels omvatten het gebruik van de bevochtigingsgradiënt op het oppervlak om een ​​drijvende kracht te induceren en de druppel van een hydrofoob naar een hydrofiel oppervlak te verplaatsen. Echter, de fundamentele afweging die ten grondslag ligt aan de hydrodynamica van druppeltjes legt beperkingen op:het transporteren van druppels met hoge snelheid vereist een grote bevochtigingsgradiënt en is op zijn beurt beperkt tot een korte afstand, terwijl een lange transportafstand een kleine bevochtigingsgradiënt vereist om de kleefkracht tussen het vloeibare en vaste oppervlak te verminderen, en de transportsnelheid wordt dan beperkt.

Om deze uitdagingen te overwinnen, de onderzoekers hebben een nieuwe strategie bedacht die het unidirectionele en zelfrijdende vloeistofdruppeltransport op verschillende substraten bereikt. Hun werk toont ongekende prestaties:de hoogste transportsnelheid (1,1 m/s) is 10 keer hoger dan ooit eerder gemeld, en vertegenwoordigt de langste onbeperkte transportafstand.

Manipulatie van oppervlakteladingsdichtheid

De sleutel tot deze doorbraak ligt in de manipulatie van oppervlaktelading via vloeistofcontact, die voor het eerst werd gerealiseerd. Het onderzoeksteam liet eerst een ketting van waterdruppels vallen op het speciaal ontworpen superamfifobe (superwater- en olieafstotende) oppervlak dat ze eerder hadden ontwikkeld. Bij een botsing op het oppervlak, de druppeltjes verspreiden zich onmiddellijk, teruggetrokken en teruggekaatst van het oppervlak. Dit resulteerde in de scheiding van elektronen uit de druppeltjes, en het getroffen oppervlak werd negatief geladen.

Door de hoogte aan te passen van waaruit de druppels op het oppervlak vielen, de oppervlakteladingsdichtheid op het oppervlak veranderde geleidelijk, een gradiënt vormen. Wanneer vervolgens een druppel op dat oppervlak werd geplaatst, de oppervlakteladingsdichtheidsgradiënt fungeerde als een drijvende kracht. De druppel zou dan zichzelf voortstuwen en in de richting van een hogere ladingsdichtheid bewegen.

In tegenstelling tot de chemische of morfologische gradiënten, die moeilijk te veranderen zijn als ze eenmaal zijn gemaakt, de gradiënt van de ladingsdichtheid kan eenvoudig worden gewijzigd, waardoor de herprogrammering van druppelbewegingspaden mogelijk is. Het onderzoek toont aan dat hoge snelheid en ultralang transport van druppeltjes bij kamertemperatuur gestimuleerd kan worden en geen extra energie kost.

Dergelijk druppeltransport manifesteert zich niet alleen op vlakke oppervlakken, maar ook flexibele en verticaal geplaatste exemplaren. In aanvulling, verschillende vloeistoffen kunnen worden vervoerd, inclusief die met een lage oppervlaktespanning, lage diëlektrische constante, bloed- en zoutoplossingen.

Toepassingspotentieel in microfluïdische apparaten

"We stellen ons voor dat onze innovatie in het gebruik van oppervlakteladingsdichtheidsgradiënt om druppeltransport te programmeren, die nog niet eerder was onderzocht, zal een nieuwe onderzoeksrichting en potentieel in toepassingen openen. Bijvoorbeeld, in de biogeneeskunde, het ontwerp van oppervlakken met een preferentiële ladingsdichtheidsgradiënt kan celmigratie en ander gedrag beïnvloeden, " zei professor Wang. Professor Deng zei ook dat deze strategie kan worden toegepast in microfluïdische lab-on-a-chip-apparaten en bio-analytische apparaten, evenals op het gebied van materiaalkunde, vloeistofdynamica en daarbuiten.