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通过横波上的机械功能驱动的爬升液滴

2019-06-22 09:41:38来源:

现代应用使用自清洁策略和数字微流体来控制平坦表面上的单个液滴,但现有技术受到高电场和高温的副作用的限制。在一项新研究中,Edwin De Jong及其先进材料,机械工程和复杂分子系统跨学科部门的同事开发了一种创新的“机械润湿”技术,可根据界面表面张力控制变化表面上的液滴运动。

为了演示该方法,他们使用横向波在水平和垂直倾斜表面上以等于波速的速度传输液滴。科学家从理论上和数量上捕捉了机械结构力的基本机制,以确定该现象对流体性质,表面能和波参数的依赖性。Jong等。将“机械润湿”技术展示为一种技术,可以通过表面变形实现一系列具有液滴控制功能的新应用。该研究现已发表在Science Advances上。

在工作中,Jong等人。量化了动态钉扎力,通过研究不同尺寸的不同尺寸的攀爬液滴来驱动机械润湿。他们观察到意外的大的力,并且能够以相当大的速度甚至在垂直墙壁上驱动液滴。液滴能够沿途捕获污染颗粒,以展示其在自清洁应用中的潜力。科学家在数学上和理论上捕获了液滴传输的基本机制,以确定其对多种物理参数的依赖性。Jong等。期望该技术基于接触角的三相线操纵和切换表面形貌来驱动一系列新应用 。

横波表面形貌上的液滴传输。(A)横波器件的实验装置的示意图。这里,A是波幅,λ是波长,θ是接触角,d是典型的液滴尺寸,patm是大气压力,Δp是真空泵将扁平PDMS薄膜转换成压力差。波浪状表面结构,其波长由带的脊间距决定。液滴内部的流线是一个示意图,用于说明液滴后面的质心框架内部的液滴流动。(B至D)含有由行波装置输送的示踪粒子的甘油液滴。这里,A = 4±1μm,λ=500μm,θY= 100±2°。在图中 S1,电影的帧重叠以产生路径线,证明了与图1A一致的类似跑步机的内部流动模式。(E到G)计算流体动力学(CFD)模拟横向变形表面边界上的甘油液滴,用于相同的行波特征(形状,波幅,波速和波长),液滴特性和杨氏角度,如同实验。液滴内的小箭头表示质心参考系中的局部流体速度。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw0914 和年轻的角度一样在实验中。液滴内的小箭头表示质心参考系中的局部流体速度。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw0914 和年轻的角度一样在实验中。液滴内的小箭头表示质心参考系中的局部流体速度。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw0914

科学家们建造了一种装置来产生规则和可控的横向表面波,以实验证明液滴的传输。在其作用机制中,他们降低了由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的薄膜下面的压力,该薄膜由金属框架夹紧,以形成波浪状表面结构,以确保纯粹的横波。使用实验装置,科学家控制的液滴在横波上为0.1至5μL,波长为500 nm,行速为0.57 mm / s; 等于施加波的速度。材料科学家将计算流体动力学(CFD)模拟,理论建模和单液滴实验结合起来,对单个液滴进行数值分析。

在计算建模实验期间,他们开发了一个openFOAM框架,以创建一个与实验非常一致的模拟。为了理解液滴传输机制的有效性,科学家们进行了一系列攀爬液滴实验和模拟,设备倾斜于一个感兴趣的角度。Jong等。表明当较大液滴的驱动力大于重力时,液滴向上攀升,而液滴越小,重力越大,液滴就会向下滑动。

液滴在倾斜表面上运输。(A)作为由波长λ归一化的液滴尺寸d的函数的临界角βcrit。标记是实验结果; 误差条表示至少三次测量的SD。趋势线对应于数值结果。数值模型使用实验设置作为输入,即杨氏角度θY= 68°,波长λ=500μm,振幅A = 4.0±1.0μm,流体的动态粘度ν= 1 mm2 s-1(水-isopropanol)。幅度的误差范围由主趋势线周围的阴影区域(橙色)反映。(B和C)双液滴实验,显示在倾斜角β= 13°时[尺寸d /λ= 2.7和3.1]的液滴[对应于由虚线表示的(A)中的标记位置]。箭头表示液滴运动。(D)数值结果描绘了对于尺寸为d /λ= 3.2(λ=500μm)的液滴,作为波速uwave和波幅A的函数的临界角βcrit的变化。标记的数据点对应于(A)中所示的实验的振幅和波速。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw0914

在实验过程中,科学家们确定了一种“恢复力”,它通过将液滴模拟为球形帽来驱动液滴运动并对其进行量化。他们展示了平衡反作用力的动态钉扎力,包括在液滴运输过程中的静态钉扎,重力和粘性力。

它们获得了在65.5度附近的接触角设置中可能产生的最大力。此外,行波上的液滴可以克服相当大的重力,甚至以0.57 mm / s的速度爬上垂直表面。Jong等。显示毫米大小的液滴,可以倒置运输; 展示迄今为止缺乏实验证明的现象。

攀爬飞沫的数值和理论分析。顶行显示模拟快照(横截面图和俯视图),底行显示0.15-μl液滴(d /λ= 2.1)(A和B)的三相线积分理论的理论结果对于波幅A =5μm,0.30-μl液滴(d /λ= 2.7)(C和D)。(A)和(C)中的情况对应于零波速度和倾斜度,uwave = 0 mm s-1和β= 0,(B)和(D)中的情况对应于波速uwave = 0.57 mm s-1(仅CFD结果)和倾斜角β≈βcrit≈48°和7°​​。表面脊(顶行)的高度在顶视图中由灰度表示,并且在横截面图中被夸大。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw0914

在体外(在实验室中)实验期间,科学家们使用安装在真空室中的内置速度控制的放电加工构造的传送带形成行波装置。它们将通过旋涂制成的PDMS薄膜固定在放置在该带的暴露部分顶部的铝框架上。设备中产生的低压使PDMS薄膜压在皮带上,科学家通过控制腔室内的压力水平来控制波幅。

他们使用几种流体(包括水,异丙醇和矿物油)测试了该机制,以显示该方法是一种稳定,一致且可重复的过程,可以在所有情况下移动液滴。Jong等。通过在行波上同时喷射不同尺寸的液滴来验证这种功效。与以前具有特殊要求的方法相比,观察到的机械润湿的多功能性是显着的。当他们探索构造的旅行机械润湿表面的自清洁特性时,研究人员发现这些液滴能够擦拭表面清洁污染。该技术允许受控制的液滴运动在指定位置收集碎片,这与以前基于刚性和自动清洁的自清洁过程不同静态疏水表面。

就这样,Jong等人。实验证明了在机械表面上的液滴运动,并强调了表面三相线上必要的地形变形,以影响局部表面张力的平衡并实现运动。目前的设置仅限于机械润湿机制的实验性概念验证装置。科学家们的目标是优化系统并构建具有地形的设备,这些地形可以响应外部刺激(包括光,磁场和温度)而机械变形。它们还可以通过创建具有两个行进波的表面来控制分裂和合并液滴,这两个行波相互朝向或远离。

Edwin Jong及其同事认为,根据研究中详述的方法,可以充分探索机械加工,为各种医疗和工业应用中的高精度液滴处理开辟新的机会。通过机械润湿驱动的液滴将发现未来在微流体中的应用,用于诊断和细胞处理/分析,以及作为医疗,海洋传感器,窗户和太阳能电池板中的自清洁装置,同时也可用于露水采集。