Trasporto di una goccia con particelle traccianti su una superficie meccanowetting del dispositivo ad onde mobili. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw0914
Le moderne applicazioni utilizzano strategie autopulenti e microfluidi digitali per controllare singole goccioline di fluidi su superfici piane, ma le tecniche esistenti sono limitate dagli effetti collaterali di campi elettrici elevati e alte temperature. In un nuovo studio, Edwin De Jong e collaboratori dei dipartimenti interdisciplinari di Advanced Materials, L'ingegneria meccanica e i sistemi molecolari complessi hanno sviluppato un'innovativa tecnica di "mechanowwetting" per controllare il movimento delle gocce su superfici mutevoli in base alla tensione superficiale interfacciale.
Per dimostrare il metodo, trasportavano goccioline usando onde trasversali su superfici inclinate orizzontali e verticalmente a velocità pari alla velocità dell'onda. Gli scienziati hanno catturato il meccanismo fondamentale della forza meccanowetting in teoria e quantitativamente per stabilire la dipendenza del fenomeno dalle proprietà del fluido, energia superficiale e parametri delle onde. Jong et al. hanno dimostrato il "mechanowwetting" come una tecnica che può portare a una serie di nuove applicazioni con controllo delle gocce attraverso deformazioni superficiali. La ricerca è ora pubblicata su Progressi scientifici .
Nel lavoro, Jong et al. ha quantificato le forze di inchiodamento dinamiche che hanno determinato la meccanowetting studiando le goccioline rampicanti di diverse dimensioni su diversi angoli di inclinazione. Hanno osservato forze inaspettatamente grandi e sono stati in grado di guidare goccioline anche contro pareti verticali a velocità notevoli. Le goccioline sono state in grado di raccogliere le particelle contaminanti lungo il percorso per dimostrare il loro potenziale nelle applicazioni autopulenti. Gli scienziati hanno catturato i meccanismi sottostanti del trasporto delle goccioline numericamente e in teoria per stabilire la sua dipendenza da più parametri fisici. Jong et al. si aspettano che la tecnica guidi una gamma di nuove applicazioni basate sulla manipolazione della linea trifase dell'angolo di contatto e sulla commutazione delle topografie di superficie.
Trasporto di goccioline su topografie superficiali di onde trasversali. (A) Schema della configurazione sperimentale del dispositivo ad onde trasversali. Qui, A è l'ampiezza dell'onda, è la lunghezza d'onda, θY è l'angolo di contatto, d è la dimensione tipica delle gocce, patm è la pressione atmosferica, e Δp è la differenza di pressione creata da una pompa a vuoto per trasformare il film piatto PDMS in una struttura superficiale ondulata con una lunghezza d'onda dettata dalla distanza tra le creste del nastro. Le linee di flusso all'interno della goccia sono uno schema per illustrare il flusso interno della goccia nel telaio del centro di massa che segue la goccia. (B a D) Gocciolina di glicerolo contenente particelle traccianti trasportate dal dispositivo a onde mobili. Qui, A =4 ± 1 micron, =500 micron, e θY =100 ± 2°. Nella fig. S1, i fotogrammi del filmato vengono sovrapposti per generare linee di percorso, dimostrando il modello di flusso interno simile a un tapis roulant coerente con la Fig. 1A. (E a G) Simulazioni fluidodinamiche computazionali (CFD) della gocciolina di glicerolo su un confine di superficie deformante trasversalmente per le stesse caratteristiche d'onda in movimento (forma, ampiezza d'onda, velocità dell'onda, e lunghezza d'onda), proprietà delle gocce, e l'angolo di Young come negli esperimenti. Le piccole frecce all'interno della goccia indicano la velocità del fluido locale nel sistema di riferimento del centro di massa. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw0914
Gli scienziati hanno costruito un dispositivo per generare onde di superficie trasversali regolari e controllabili per dimostrare sperimentalmente il trasporto di goccioline. Nel suo meccanismo d'azione, hanno abbassato la pressione al di sotto di un film in polidimetilsilossano (PDMS) bloccato da un telaio metallico per creare un'architettura superficiale ondulata per garantire onde puramente trasversali. Utilizzando la configurazione sperimentale, gli scienziati hanno controllato goccioline che vanno da 0,1 a 5 µl su onde trasversali che corrispondono a una lunghezza d'onda di 500 nm che viaggiano a una velocità di 0,57 mm/s; uguale alla velocità dell'onda applicata. Gli scienziati dei materiali hanno effettuato una combinazione di simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD), modellazione teorica ed esperimenti a goccia singola per analizzare numericamente le singole goccioline.
Durante gli esperimenti di modellazione computazionale, hanno sviluppato un framework openFOAM per creare una simulazione che concordasse in modo eccellente con gli esperimenti. Per comprendere l'efficacia del meccanismo di trasporto delle goccioline, gli scienziati hanno condotto una serie di esperimenti e simulazioni di goccioline rampicanti con il dispositivo inclinato di un angolo di interesse. Jong et al. ha mostrato che quando la forza motrice per la goccia più grande era maggiore della forza gravitazionale, la goccia salì verso l'alto, mentre con goccioline più piccole la maggiore forza gravitazionale faceva scivolare le goccioline verso il basso.
Trasporto di gocce su superfici inclinate. (A) Angolo critico crit in funzione della dimensione della goccia d normalizzata dalla lunghezza d'onda . I marcatori sono risultati sperimentali; le barre di errore rappresentano la SD di almeno tre misurazioni. La linea di tendenza corrisponde ai risultati numerici. Il modello numerico utilizza le impostazioni sperimentali come input, cioè., l'angolo di Young θY =68°, lunghezza d'onda =500 μm, ampiezza A =4,0 ± 1,0 μm, e la viscosità dinamica =1 mm2 s−1 del fluido (acqua-isopropanolo). Il margine di errore nell'ampiezza è riflesso dall'area ombreggiata attorno alla linea di tendenza principale (in arancione). (B e C) Esperimento con due gocce che mostra goccioline di dimensione d/λ =2,7 e 3,1 con angolo di inclinazione β =13° [corrispondente alle posizioni contrassegnate in (A) indicate dalle linee tratteggiate]. Le frecce indicano il movimento della goccia. (D) Risultati numerici che descrivono la variazione dell'angolo critico crit in funzione della velocità dell'onda uwave e dell'ampiezza dell'onda A per una goccia di dimensione d/λ =3,2 (λ =500 μm). Il punto dati contrassegnato corrisponde all'ampiezza e alla velocità d'onda degli esperimenti mostrati in (A). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw0914
Durante gli esperimenti gli scienziati hanno identificato una "forza di ripristino" che ha guidato il movimento delle goccioline e l'hanno quantificata modellando la gocciolina come una calotta sferica. Hanno mostrato la forza dinamica che bilanciava le forze contrastanti, che includeva il pinning statico, gravità e forze viscose durante il trasporto delle gocce.
Hanno ottenuto le forze più elevate che potrebbero essere generate nella configurazione per angoli di contatto vicini a 65,5 gradi. Inoltre, le goccioline sulle onde viaggianti potrebbero vincere notevoli forze gravitazionali per arrampicarsi anche su superfici verticali ad una velocità di 0,57 mm/s. Jong et al. mostrava goccioline di dimensioni millimetriche che potevano essere trasportate capovolte; dimostrare fenomeni che fino a quel momento erano mancati di dimostrazione sperimentale.
Analisi numerica e teorica delle goccioline rampicanti. La riga superiore mostra le istantanee di simulazione (viste in sezione e dall'alto), e la riga inferiore mostra i risultati teorici della teoria dell'integrale di linea trifase di una gocciolina da 0,15 μl (d/λ =2,1) (A e B) e una gocciolina da 0,30 μl (d/λ =2,7) (C e D ) per ampiezza d'onda A =5 μm. Le situazioni in (A) e (C) corrispondono a velocità e inclinazione zero dell'onda, uwave =0 mm s−1 e β =0, e le situazioni in (B) e (D) corrispondono a una velocità dell'onda uwave =0,57 mm s−1 (solo risultati CFD) e angoli di inclinazione β ≈ βcrit ≈ 48° e 7°, rispettivamente. L'altezza delle creste della superficie (riga superiore) è indicata da una scala di grigi nella vista dall'alto ed è esagerata nella vista in sezione trasversale. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw0914
Durante gli esperimenti in vitro (in laboratorio), gli scienziati hanno formato il dispositivo a onde mobili utilizzando un nastro trasportatore costruito utilizzando una lavorazione a scarica elettrica con controllo della velocità integrato montato in una camera a vuoto. Hanno apposto il film PDMS realizzato mediante spin-coating su un telaio in alluminio posto sopra la parte esposta di questa cintura. La bassa pressione creata nel dispositivo ha consentito di premere il film PDMS contro la cintura e gli scienziati hanno controllato l'ampiezza dell'onda controllando il livello di pressione all'interno della camera.
Hanno testato il meccanismo utilizzando diversi fluidi tra cui acqua, isopropanolo e olio minerale per mostrare il metodo come un robusto, processo coerente e riproducibile per spostare le goccioline per tutti i casi. Jong et al. verificato questa efficacia spruzzando contemporaneamente sull'onda in movimento goccioline di varie dimensioni. La versatilità osservata della meccanowetting è stata notevole rispetto ai metodi precedenti con requisiti speciali. Quando hanno esplorato le proprietà autopulenti della superficie meccano bagnante mobile costruita, i ricercatori hanno scoperto la capacità delle goccioline di pulire la superficie dalla contaminazione. La tecnica ha consentito al movimento controllato delle goccioline di raccogliere i detriti in posizioni designate, a differenza dei precedenti processi autopulenti basati su superfici idrofobe rigide e statiche.
Trasporto a soffitto di goccioline sulla superficie di bagnatura meccanica del dispositivo ad onde mobili. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw0914
In questo modo, Jong et al. dimostrato sperimentalmente il movimento delle goccioline rampicanti su superfici meccanowetting e ha sottolineato una deformazione topografica necessaria sulla linea trifase superficiale per influenzare l'equilibrio della tensione superficiale locale e ottenere il movimento. La presente configurazione è limitata come dispositivo sperimentale di prova del concetto sul meccanismo della meccanowetting. Gli scienziati mirano a ottimizzare il sistema e a costruire dispositivi che presenteranno topografie che possono deformarsi meccanicamente in risposta a stimoli esterni tra cui luce, campi magnetici e temperatura. Possono anche controllare la scissione e l'unione delle gocce creando superfici con due onde in movimento che si avvicinano o si allontanano l'una dall'altra.
Edwin Jong e collaboratori ritengono che la meccanowetting possa essere completamente esplorata per aprire nuove opportunità per la manipolazione di gocce ad alta precisione in una varietà di applicazioni mediche e industriali basate sul metodo descritto nello studio. Le goccioline guidate dalla meccanowetting troveranno applicazioni future nella microfluidica per la diagnostica e la manipolazione/analisi delle cellule e come dispositivi autopulenti in medicina, nei sensori marini, finestre e pannelli solari, trovando anche applicazioni nella raccolta della rugiada.
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