Geïnspireerd door een soort boomblad, wetenschappers van de City University of Hong Kong (CityU) ontdekten dat de verspreidingsrichting van verschillende vloeistoffen die op hetzelfde oppervlak zijn afgezet, kan worden gestuurd, het oplossen van een uitdaging die al meer dan twee eeuwen bestaat. Deze doorbraak zou kunnen leiden tot een nieuwe golf van het gebruik van 3D-oppervlaktestructuren voor intelligente vloeistofmanipulatie met ingrijpende gevolgen voor verschillende wetenschappelijke en industriële toepassingen, zoals fluïdica-ontwerp en verbetering van de warmteoverdracht.

Onder leiding van professor Wang Zuankai, leerstoelhoogleraar bij de afdeling Werktuigbouwkunde (MNE) van CityU, het onderzoeksteam ontdekte dat het onverwachte vloeistoftransportgedrag van het Araucaria-blad een opwindend prototype biedt voor het sturen van vloeistofrichtingen, de grenzen van het vloeistoftransport verleggen. Hun bevindingen werden gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Wetenschap onder de titel "Driedimensionale capillaire ratel-geïnduceerde vloeibare directionele besturing."

Araucaria is een boomsoort die populair is in tuinontwerp. Het blad bestaat uit periodiek aangebrachte ratels die naar de bladpunt kantelen. Elke ratel heeft een punt, met zowel transversale als longitudinale kromming op het bovenoppervlak en een relatief vlakke, gladde onderkant. Wanneer een van de leden van het onderzoeksteam, Dr. Feng Shile, een themapark bezocht in Hong Kong met Araucaria-bomen, de bijzondere oppervlaktestructuur van het blad trok zijn aandacht.

Speciale bladstructuur zorgt ervoor dat vloeistof zich in verschillende richtingen kan verspreiden

"Het conventionele begrip is dat een vloeistof die op een oppervlak wordt afgezet, de neiging heeft om in richtingen te bewegen die de oppervlakte-energie verminderen. De transportrichting wordt voornamelijk bepaald door de oppervlaktestructuur en heeft niets te maken met de eigenschappen van de vloeistof, zoals oppervlaktespanning, " zei professor Wang. Maar het onderzoeksteam ontdekte dat vloeistoffen met verschillende oppervlaktespanningen tegengestelde verspreidingsrichtingen vertonen op het Araucaria-blad, in schril contrast met het conventionele begrip.

Door de natuurlijke structuur na te bootsen, het team ontwierp een op Araucaria blad geïnspireerd oppervlak (ALIS), met 3D-ratels van millimeterformaat waarmee vloeistoffen zowel in als uit het oppervlaktevlak kunnen worden afgevoerd (d.w.z. verplaatst door capillaire werking). Ze repliceerden de fysieke eigenschappen van het blad met 3D-printen van polymeren. Ze ontdekten dat de structuren en de grootte van de ratels, vooral de inspringende structuur aan het uiteinde van de ratels, de tip-to-tip afstand van de ratels, en de kantelhoek van de ratels, zijn cruciaal voor vloeibare besturing.

Voor vloeistoffen met een hoge oppervlaktespanning, als water, het onderzoeksteam ontdekte dat een grens van vloeistof "vastgepind" is aan het uiteinde van de 3D-ratel. Aangezien de afstand tussen de uiteinden van de ratel vergelijkbaar is met de capillaire lengte (millimeter) van de vloeistof, de vloeistof kan achteruit gaan tegen de ratel-kantelrichting in. In tegenstelling tot, voor vloeistoffen met een lage oppervlaktespanning, zoals ethanol, de oppervlaktespanning fungeert als een drijvende kracht en zorgt ervoor dat de vloeistof naar voren kan bewegen langs de ratel-kantelrichting.

Eerste waarneming van vloeistof 'selecterende' directionele stroom

"Voor de eerste keer, we hebben directioneel transport van verschillende vloeistoffen op hetzelfde oppervlak aangetoond, met succes een probleem aanpakken op het gebied van oppervlakte- en interfacewetenschap dat al sinds 1804 bestaat, " zei professor Wang. "Het rationele ontwerp van de nieuwe capillaire ratels stelt de vloeistof in staat om zijn verspreidingsrichting te 'beslissen' op basis van het samenspel tussen zijn oppervlaktespanning en oppervlaktestructuur. Het was als een wonder om de verschillende richtingen van verschillende vloeistoffen te observeren. Dit was de eerste geregistreerde waarneming in de wetenschappelijke wereld."

Nog interessanter, hun experimenten toonden aan dat een mengsel van water en ethanol in verschillende richtingen op de ALIS kan stromen, afhankelijk van de concentratie ethanol. Een mengsel met minder dan 10% ethanol dat achteruit wordt gepropageerd tegen de ratel-kantelrichting in, terwijl een mengsel met meer dan 40% ethanol zich voortplantte in de richting van de ratel. Mengsels van 10% tot 40% ethanol bewogen tegelijkertijd bidirectioneel.

"Door de hoeveelheid water en ethanol in het mengsel aan te passen, we kunnen de oppervlaktespanning van het mengsel veranderen, waardoor we de vloeistofstroomrichting kunnen manipuleren, " zei Dr. Zhu Pingan, Universitair docent in de MNE van CityU, een co-auteur van het artikel.

Strooirichting regelen door de oppervlaktespanning aan te passen

Het team ontdekte ook dat de 3D-capillaire ratels het vloeistoftransport kunnen bevorderen of remmen, afhankelijk van de kantelrichting van de ratels. Toen de ALIS met naar boven kantelende ratels in een schaal met ethanol werd gestoken, de capillaire stijging van ethanol was hoger en sneller dan die van een oppervlak met symmetrische ratels (ratelen loodrecht op het oppervlak). Bij het plaatsen van de ALIS met naar beneden gekantelde ratels, de capillaire stijging was lager.

Hun bevindingen bieden een effectieve strategie voor de intelligente begeleiding van vloeistoftransport naar de doelbestemming, een nieuwe weg openen voor structuurgeïnduceerd vloeistoftransport en opkomende toepassingen, zoals microfluïdica-ontwerp, verbetering van de warmteoverdracht en slimme vloeistofsortering.

"Onze nieuwe vloeibare directionele besturing heeft veel voordelen, zoals goed gecontroleerde, snel, langeafstandstransport met zelfaandrijving. En de ALIS kan eenvoudig worden gefabriceerd zonder ingewikkelde micro-/nanostructuren, " concludeerde professor Wang.