De manipulatie en het gebruik van gas in water hebben brede toepassingen in energieverbruik, chemische productie, milieubescherming, landbouwveredeling, microfluïdische chips en gezondheidszorg. De mogelijkheid om onderwaterbellen aan te drijven om gericht en continu over een bepaalde afstand te bewegen via unieke gradiëntgeometrieën is met succes gearchiveerd, wat ruimte opent voor meer onderzoek naar dit opwindende onderwerp. In veel gevallen is de gradiëntgeometrie echter microscoop en ongeschikt voor het transporteren van gas op microscoopniveau omdat de meeste gradiëntstructuren op microschaal de onvoldoende drijvende kracht leveren. Dit maakt het zelftransport van bellen en gassen onder water op microscopisch niveau een grote uitdaging.

In een nieuw artikel gepubliceerd in het International Journal of Extreme Manufacturing , heeft een team van onderzoekers, geleid door prof. Feng Chen van de School of Electronic Science and Engineering, Xi'an Jiaotong University, China, een innovatieve strategie voorgesteld voor zelftransport van gas onder water langs een femtoseconde laser-geïnduceerd open superhydrofoob oppervlak met een microkanaalbreedte van minder dan 100 µm. De microgroef met superhydrofobe en onderwater superaerofiele micro-/nanostructuren op de binnenwand kan niet worden bevochtigd door water, dus vormt zich een hol microkanaal tussen het substraat en het water wanneer het met groefgestructureerde oppervlak wordt ondergedompeld in water. Gas kan vrij langs het onderwatermicrokanaal stromen; dat wil zeggen, dit microkanaal maakt gastransport in water mogelijk. De superhydrofobe microgroeven maken het mogelijk om bellen en gassen op microscopisch niveau zelf te transporteren.

Femtoseconde (10 ^{− 15} s) lasertechnologie is naar voren gekomen als een veelbelovende oplossing om zo'n superhydrofobe microgroef te maken. Door gebruik te maken van de twee belangrijkste kenmerken:extreem hoge piekintensiteit en ultrakorte pulsbreedte, zijn femtosecondelasers een essentieel hulpmiddel geworden voor moderne extreme en ultraprecieze productie. Femtoseconde-laserverwerking heeft de kenmerken van een hoge ruimtelijke resolutie, een kleine door warmte beïnvloede zone en contactloze productie. Met name de femtosecondelaser kan bijna elk materiaal ablateren, wat resulteert in microstructuren op het oppervlak van het materiaal. De femtosecondelaser is dus een levensvatbaar hulpmiddel voor het creëren van superhydrofobe microstructuren op materiaaloppervlakken, wat essentieel is voor het realiseren van zelftransport van gas op microscopisch niveau.

Hiërarchische micro/nanostructuren werden gemakkelijk geproduceerd op het inherent hydrofobe polytetrafluorethyleen (PTFE) substraat door femtoseconde laserbewerking, waardoor het PTFE-oppervlak uitstekende superhydrofobiciteit en superaerofiliciteit onder water kreeg. De femtoseconde laser-geïnduceerde superhydrofobe en onderwater superaerofiele microgroeven stoten water sterk af en kunnen gastransport onder water ondersteunen omdat er een hol microkanaal is gevormd tussen het PTFE-oppervlak en het watermedium in water. Onderwatergas werd gemakkelijk door dit holle microkanaal getransporteerd.

Interessant is dat wanneer superhydrofobe microgroeven verschillende superhydrofobe gebieden in water verbinden, het gas spontaan overgaat van een klein gebied naar een groot gebied. Een uniek laserboorproces kan de microgaatjes ook integreren in de superhydrofobe en onderwater superaerofiele PTFE-plaat.

Door de asymmetrische morfologie van de femtoseconde laser-geïnduceerde 'Y'-vormige microgaatjes en de unieke superbevochtigbaarheid van het PTFE-vel aan het oppervlak, konden de gasbellen in één richting door het poreuze superwetting-PTFE-vel gaan (van de kant met de kleine gaten naar de kant met de grote gaten ) in het water.

Anti-drijfvermogen unidirectionele penetratie werd bereikt; dat wil zeggen, het gas overwon het drijfvermogen van de bel en werd zelf naar beneden getransporteerd. Net als bij een diode, werd de functie van de unidirectionele gasdoorgang van de superwetting poreuze plaat gebruikt om de transportrichting van het gas te bepalen bij het manipuleren van onderwatergas, waardoor terugstroming van gas wordt voorkomen.

Het Laplace-drukverschil dreef de processen van spontaan gastransport en unidirectionele bellendoorgang aan. De superhydrofobe en onderwater superaerofiele poreuze platen werden ook met succes gebruikt om water en gas te scheiden op basis van het gedrag van zelftransport van gas.

Professor Feng Chen (directeur van Ultrafast Photonic Laboratory, UPL) en universitair hoofddocent Jiale Yong hebben het belang van het onderzoek en de mogelijke toepassingen van deze technologie (zelftransport van gas onder water) als volgt geïdentificeerd:

"Hoe denkt u over het gebruik van superhydrofobe microgroeven voor gastransport?"

"Superhydrofobe microstructuren hebben een grote waterafstotendheid, waardoor de materialen vloeistoffen kunnen afstoten. Als een microgroef superhydrofobe micro-/nanostructuren op de binnenwand heeft, zal de microgroef niet bevochtigd worden door water omdat het oppervlak met de groefstructuur in water wordt ondergedompeld. tussen het substraat en het watermedium vormt zich een hol microkanaal. Dit microkanaal maakt gastransport in water mogelijk zodat gas vrij langs het onderwatermicrokanaal kan stromen. De femtoseconde laser kan gemakkelijk zo'n superhydrofobe microgroef fabriceren. De breedte van de laser-geïnduceerde microgroef bepaalt de breedte van het holle microkanaal, dat kleiner is dan 100 m, waardoor we zelftransport van gas op microscopisch niveau kunnen realiseren."

"Waarom werd een femtoseconde laser gebruikt om zo'n superhydrofobe microgroef voor te bereiden voor zelftransport van gas?"

"De laser is een van de grootste uitvindingen van de 20 ^e eeuw. In de afgelopen jaren is de femtoseconde laser een essentieel hulpmiddel geworden voor moderne extreme en ultraprecieze productie. Femtosecond-laserverwerking is een flexibele technologie die superhydrofobe en onderwater-superaerofiele microgroeven direct op het oppervlak van een vast substraat kan schrijven en open microgaatjes door een dunne film kan boren. Bovendien kunnen de baan van de open microgroeven en de locatie van de open microgaten nauwkeurig worden ontworpen door het besturingsprogramma tijdens de laserbewerking."

"Hebben de soorten gas invloed op het zelftransport van bellen en gassen op microscopisch niveau?"

"Hoewel alleen de gewone luchtbel is bestudeerd, moet worden opgemerkt dat de drijvende kracht voor gastransport niet de chemische samenstelling van het gas is. Daarom is de manipulatie van gas die in dit artikel wordt vermeld, van toepassing op andere gassen zolang ze lossen niet volledig op in de overeenkomstige vloeistoffen."

"Wat zijn de mogelijke toepassingen van de technologie om zelftransport en manipulatie van bellen/gas mogelijk te maken op basis van de femtoseconde lasergeschreven superhydrofobe microgroeven?"

"Wij geloven dat de gerapporteerde methoden voor zelftransport van gas in water langs femtoseconde lasergestructureerde superhydrofobe microkanalen veel nieuwe toepassingen zullen openen in het gebruik van energie, chemische productie, milieubescherming, landbouwveredeling, microfluïdische chips, gezondheidszorg, enz."

Onderzoekers wijzen er ook op dat deze strategie voor zelftransporterend gas op basis van de superhydrofobe microgroeven, hoewel gevalideerd, nog in de kinderschoenen staat. De invloed van verschillende factoren (zoals de grootte van de microgroeven, de lengte van het kanaal en het volume van het gas) op de prestatie van gastransport behoeft nader onderzoek. Ook de praktische toepassingen op basis van de gas-zelftransportfunctie moeten worden ontwikkeld. + Verder verkennen

Nieuwe technologie kan helpen water af te stoten, levens te redden door verbeterde medische apparaten