Le microgocce trovano applicazioni versatili nei campi della chimica, della scienza dei materiali e della biochimica, in particolare nell'ingegneria chimica e nella microfluidica biochimica come microreattori e biosensori. Ottenere un controllo preciso sulle microgocce in termini di forma, dimensione e angolo di contatto (CA) è particolarmente cruciale per applicazioni come il controllo preciso dei modelli di stampa/rivestimento e delle reazioni chimiche.
La ricerca attuale sfrutta gli effetti capillari e di bordo delle superfici strutturate a micropilastri per ottenere determinati modelli poligonali di goccioline liquide. Tuttavia, quando viene data una specifica combinazione liquido/materiale, in particolare per superfici superidrofile (o completamente bagnabili), l'angolo di contatto ottenibile è limitato dall'equazione di Gibbs convenzionale tipicamente utilizzata per accedere alla CA di una macrogoccia su superfici ruvide. Le forme di contatto delle microgocce sono limitate a determinati poligoni. Ottenere un controllo preciso sulle microgocce con forme arbitrarie e un'ampia gamma di CA è stata a lungo una sfida.
In uno studio pubblicato negli Proceedings of the National Academy of Sciences , il gruppo del Prof. Gao Yurui del Centro Nazionale per la Nanoscienza e la Tecnologia (NCNST) dell'Accademia Cinese delle Scienze, in collaborazione con il Prof. Zeng Xiaocheng della City University di Hong Kong e il Prof. Francisco Joseph S. dell'Università della Pennsylvania, impiegando Le tecniche di fotolitografia e la successiva elaborazione hanno fabbricato una classe di superfici strutturate con micropareti/microcanali concentrici a circuito chiuso, che consentono un controllo preciso delle microgocce con un'ampia gamma di CA e un'elevata sintonizzabilità di forma e modello.
Basandosi sulla nozione di "stati bagnanti topologici", i ricercatori hanno progettato una varietà di superfici con micropareti/microcanali a circuito chiuso ortorombico omocentrico utilizzando tecniche di litografia. Queste superfici presentavano angoli precisi dei bordi delle micropareti di 90° e, con l'applicazione del trattamento UV/ozono, hanno raggiunto un angolo di contatto intrinseco di 0°. Su queste superfici con strutture a circuito chiuso sono stati osservati stati topologici di bagnatura.
A causa della topologia a circuito chiuso delle strutture superficiali, le microgocce mostravano più stati di Wenzel con le loro linee di contatto trifase fissate sul bordo esterno della microparete. e la CA può essere variata ampiamente da 0 a 130°. Progettando la forma delle micropareti omocentriche, è possibile controllare efficacemente anche l'area di contatto e le dimensioni delle microgocce, consentendo la formazione non solo di forme regolari come cerchi, triangoli e quadrati, ma anche di modelli irregolari come forme a forma di cuore.
Inoltre, i ricercatori hanno esteso il controllo alla dimensione dell’AC. Hanno proposto il controllo su un ampio intervallo (da 0 a>130°), in particolare per combinazioni superficie/liquido intrinsecamente completamente bagnanti, sfruttando l'evaporazione delle goccioline e la geometria a circuito chiuso.
È interessante notare che i ricercatori hanno scoperto un fenomeno di bagnatura che sfida la tradizionale equazione di Gibbs nel descrivere la gocciolina ai suoi confini:indipendentemente dalla forma della struttura a circuito chiuso, la CA massima della microgoccia rimane stabile a circa 130°, deviando ampiamente dall'angolo limite previsto dall'equazione di Gibbs basato sugli effetti bordo su macroscala.
Questa scoperta ha suggerito che l’equazione di Gibbs, tradizionalmente utilizzata per accedere alla CA delle macrogocce su superfici ruvide, potrebbe non essere applicabile su scala micro o nano. Questa conclusione è applicabile a vari liquidi, tra cui isopropanolo, etanolo, decano e ottano considerati in questo studio.
Attraverso simulazioni indipendenti di dinamica molecolare, i ricercatori hanno attribuito questa grande deviazione dalla previsione dell’equazione di Gibbs a un effetto cumulativo dell’interazione acqua-superficie e della struttura atomica del bordo. Hanno suggerito di aggiungere un termine di correzione all'equazione di Gibbs per affrontare l'apparente deviazione.
"Questo lavoro ha dimostrato microstrutture a circuito chiuso con bordi ortorombici ben controllati, consentendo un'analisi comparativa dell'angolo di contatto della gocciolina e dell'angolo del bordo. Fornisce prove sulla necessità dell'equazione di Gibbs modificata su scala micro o nanometrica e i risultati ottenuti le goccioline che possono essere controllate con precisione offrono la possibilità di una misurazione accurata delle goccioline.
"Ha implicazioni per lo sfruttamento delle microgocce controllabili in campi quali la microfluidica, le reazioni chimiche e il biosensing, offrendo nuove opportunità per la produzione di materiali e la sintesi ecologica", ha affermato il prof. Gao.
Ulteriori informazioni: Dongdong Lin et al, Stati di bagnatura topologici di microgocce su superfici strutturate a circuito chiuso:ripartizione dell'equazione di Gibbs su microscala, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2315730121
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
