Trasportare gocce su superfici solide ad alta velocità e lunghe distanze senza forza aggiuntiva, anche contro la gravità, è un compito formidabile. Ma un gruppo di ricerca composto da scienziati della City University di Hong Kong (CityU) e altre tre università e istituti di ricerca ha recentemente ideato un nuovo meccanismo per trasportare le goccioline a velocità e distanze record senza ulteriore apporto di energia, e le gocce possono essere spostate verso l'alto lungo una superficie verticale, che non è mai stato raggiunto prima. La nuova strategia per controllare il movimento delle goccioline può aprire nuove potenzialità nelle applicazioni nei dispositivi microfluidici, dispositivi bio-analitici e non solo.

I metodi convenzionali per trasportare le goccioline includono l'utilizzo del gradiente di bagnatura sulla superficie per indurre una forza motrice e spostare la gocciolina dalla superficie idrofoba a quella idrofila. Però, il compromesso fondamentale alla base dell'idrodinamica delle goccioline impone dei limiti:il trasporto di goccioline ad alta velocità richiede un grande gradiente di bagnatura e, a sua volta, è limitato a una breve distanza, mentre la lunga distanza di trasporto richiede un piccolo gradiente di bagnatura per ridurre la forza adesiva tra il liquido e la superficie solida, e la velocità di trasporto è quindi vincolata.

Per superare queste sfide, i ricercatori hanno ideato una nuova strategia che realizza il trasporto unidirezionale e semovente di gocce di liquido su diversi substrati. Il loro lavoro dimostra prestazioni senza precedenti:la velocità di trasporto più elevata (1,1 m/s) è 10 volte superiore a quella mai riportata in precedenza, e rappresenta la distanza di trasporto illimitata più lunga.

Manipolazione della densità di carica superficiale

La chiave di questa svolta risiede nella manipolazione della carica superficiale tramite contatto con il liquido, che è stato realizzato per la prima volta. Il team di ricerca ha prima fatto cadere una catena di goccioline d'acqua sulla superficie superanfifobica (super idrorepellente e oleorepellente) appositamente progettata che avevano precedentemente sviluppato. In caso di impatto sulla superficie, le goccioline si diffondono immediatamente, retratto e rimbalzato dalla superficie. Ciò ha provocato la separazione degli elettroni dalle goccioline, e la superficie impattata si è caricata negativamente.

Regolando l'altezza da cui le goccioline sono cadute sulla superficie, la densità di carica superficiale sulla superficie è cambiata gradualmente, formando un gradiente. Quando una goccia è stata successivamente posta su quella superficie, il gradiente di densità di carica superficiale ha agito come forza motrice. La gocciolina si spingerebbe quindi da sola e si muoverebbe nella direzione di una maggiore densità di carica.

A differenza dei gradienti chimici o morfologici, che sono difficili da cambiare una volta creati, il gradiente di densità di carica può essere facilmente modificato, consentendo la riprogrammazione dei percorsi di movimento delle gocce. La ricerca dimostra che l'alta velocità e il trasporto ultra lungo di goccioline possono essere stimolati a temperatura ambiente e non richiedono energia extra.

Tale trasporto di goccioline non si manifesta solo su superfici piane, ma anche flessibili e posizionati verticalmente. Inoltre, possono essere trasportati vari liquidi, compresi quelli a bassa tensione superficiale, bassa costante dielettrica, sangue e soluzioni saline.

Potenziale applicativo nei dispositivi microfluidici

"Prevediamo che la nostra innovazione nell'uso del gradiente di densità di carica superficiale per programmare il trasporto delle goccioline, che non è stato esplorato prima, aprirà una nuova direzione di ricerca e potenziale nelle applicazioni. Per esempio, nella biomedicina, la progettazione di superfici con gradiente di densità di carica preferenziale può influenzare la migrazione cellulare e altri comportamenti, " ha affermato il professor Wang. Il professor Deng ha anche affermato che questa strategia potrebbe essere applicata in dispositivi microfluidici lab-on-a-chip e dispositivi bio-analitici, così come nei campi della scienza dei materiali, fluidodinamica e non solo.