Le micro/nanostrutture gerarchiche indotte dal laser a femtosecondi promuovono la superidrofobicità nell'aria e un'eccellente superaerofilia subacquea sulla superficie del politetrafluoroetilene (PTFE). L'immersione della superficie in PTFE con microscanalature superidrofobiche in acqua genera microcanali cavi tra il substrato di PTFE e il mezzo acquoso. Il gas subacqueo può fluire attraverso questo canale. Quando un microcanale collega due bolle sottomarine, il gas si trasporta spontaneamente dalla piccola bolla alla grande bolla lungo questo microcanale cavo. L'autotrasporto del gas può essere esteso a più funzioni legate alla manipolazione delle bolle sott'acqua, come il passaggio unidirezionale del gas e la separazione acqua/gas. Credito:Jiale Yong et al.
La manipolazione e l'uso del gas nell'acqua hanno ampie applicazioni nell'utilizzo dell'energia, nella produzione chimica, nella protezione dell'ambiente, nell'allevamento agricolo, nei chip microfluidici e nell'assistenza sanitaria. La possibilità di far muovere le bolle subacquee in modo direzionale e continuo su una determinata distanza tramite geometrie di gradiente uniche è stata archiviata con successo, aprendo spazio a ulteriori ricerche su questo entusiasmante argomento. In molti casi, tuttavia, la geometria del gradiente è microscopica e inadatta al trasporto di gas a livello del microscopio poiché la maggior parte delle strutture del gradiente su microscala forniscono la forza motrice insufficiente. Ciò rende l'autotrasporto subacqueo di bolle e gas a livello microscopico una grande sfida.
In un nuovo articolo pubblicato sull'International Journal of Extreme Manufacturing , un team di ricercatori, guidato dal Prof. Feng Chen della School of Electronic Science and Engineering, Xi'an Jiaotong University, Cina, ha proposto una strategia innovativa per l'autotrasporto subacqueo di gas lungo una superficie superidrofobica aperta indotta da laser a femtosecondi con una larghezza del microcanale inferiore a 100 µm. La microscanalatura con micro/nanostrutture superidrofobiche e supererofile subacquee sulla sua parete interna non può essere bagnata dall'acqua, quindi si forma un microcanale cavo tra il substrato e l'acqua poiché la superficie strutturata della scanalatura è immersa nell'acqua. Il gas può fluire liberamente lungo il microcanale subacqueo; cioè, questo microcanale consente il trasporto del gas nell'acqua. Le microscanalature superidrofobiche consentono di autotrasportare bolle e gas a livello microscopico.
Femtosecondi (10 − 15 s) la tecnologia laser è emersa come una soluzione promettente per preparare una tale microscanalatura superidrofobica. Sfruttando le sue due caratteristiche chiave:intensità di picco estremamente elevata e larghezza di impulso ultracorta, i laser a femtosecondi sono diventati uno strumento essenziale per la moderna produzione estrema e ultraprecisa. L'elaborazione laser a femtosecondi ha le caratteristiche di un'elevata risoluzione spaziale, una piccola zona interessata dal calore e una produzione senza contatto. In particolare, il laser a femtosecondi può ablare quasi tutti i materiali, creando microstrutture sulla superficie del materiale. Pertanto, il laser a femtosecondi è uno strumento valido per creare microstrutture superidrofobiche sulle superfici dei materiali, essenziale per realizzare l'autotrasporto del gas a livello microscopico.
Micro/nanostrutture gerarchiche sono state facilmente prodotte sul substrato di politetrafluoroetilene (PTFE) intrinsecamente idrofobico mediante elaborazione laser a femtosecondi, conferendo alla superficie del PTFE un'eccellente superidrofobicità e superaerofilia subacquea. Le microscanalature superidrofobiche e supererofile subacquee indotte dal laser a femtosecondi respingono notevolmente l'acqua e possono supportare il trasporto di gas sott'acqua perché un microcanale cavo si è formato tra la superficie del PTFE e il mezzo idrico nell'acqua. Il gas subacqueo veniva facilmente trasportato attraverso questo microcanale cavo.
È interessante notare che quando le microscanalature superidrofobiche collegano diverse regioni superidrofobiche nell'acqua, il gas si trasferisce spontaneamente da una piccola regione a una grande regione. Un esclusivo processo di perforazione laser può anche integrare i microfori nel foglio di PTFE superidrofobico e supererofilo subacqueo.
La morfologia asimmetrica dei microfori a forma di "Y" indotti dal laser a femtosecondi e l'esclusiva superbagnatura superficiale del foglio di PTFE hanno consentito alle bolle di gas di passare in modo unidirezionale attraverso il foglio poroso di PTFE superumidificante (dal lato dei piccoli fori al lato dei fori grandi ) in acqua.
È stata ottenuta la penetrazione unidirezionale anti-galleggiamento; cioè, il gas ha superato la galleggiabilità della bolla e si è autotrasportato verso il basso. Simile a un diodo, la funzione del passaggio unidirezionale del gas del foglio poroso superbagnatura è stata utilizzata per determinare la direzione di trasporto del gas nella manipolazione del gas sottomarino, prevenendo il riflusso del gas.
La differenza di pressione di Laplace ha guidato i processi di trasporto spontaneo del gas e il passaggio unidirezionale delle bolle. I fogli porosi superidrofobici e supererofili subacquei sono stati utilizzati con successo anche per separare acqua e gas in base al comportamento dell'autotrasporto del gas.
Il Professor Feng Chen (Direttore dell'Ultrafast Photonic Laboratory, UPL) e il Professore Associato Jiale Yong hanno identificato il significato della ricerca e le potenziali applicazioni di questa tecnologia (autotrasporto del gas sottomarino) come segue:
"Come pensare di utilizzare microscanalature superidrofobiche per il trasporto del gas?"
"Le microstrutture superidrofobiche hanno una grande idrorepellenza, consentendo ai materiali di respingere i liquidi. Se una microscanalatura ha micro/nanostrutture superidrofobiche sulla sua parete interna, la microscanalatura non sarà bagnata dall'acqua poiché la superficie strutturata della scanalatura è immersa nell'acqua. Pertanto, un si forma un microcanale cavo tra il substrato e il mezzo acquoso. Questo microcanale consente il trasporto del gas nell'acqua in modo che il gas possa fluire liberamente lungo il microcanale subacqueo. Il laser a femtosecondi può facilmente fabbricare una tale microscanalatura superidrofobica. La larghezza della microscanalatura indotta dal laser determina la larghezza del microcanale cavo, che è inferiore a 100 μm, consentendoci di realizzare l'autotrasporto del gas a livello microscopico."
"Perché il laser a femtosecondi è stato utilizzato per preparare una microscanalatura così superidrofobica per l'autotrasporto del gas?"
"Il laser è una delle più grandi invenzioni del 20 esimo secolo. Negli ultimi anni, il laser a femtosecondi è diventato uno strumento essenziale per la moderna produzione estrema e ultra-precisa. L'elaborazione laser a femtosecondi è una tecnologia flessibile in grado di scrivere direttamente microsolchi superidrofobici e supererofili subacquei sulla superficie di un substrato solido e praticare microfori aperti attraverso un film sottile. Inoltre, la traccia delle microscanalature aperte e la posizione dei microfori aperti possono essere accuratamente progettati dal programma di controllo durante la lavorazione laser."
"I tipi di gas influiscono sull'autotrasporto di bolle e gas a livello microscopico?"
"Sebbene sia stata studiata solo la normale bolla d'aria, va notato che la forza trainante per il trasporto del gas non coinvolge la composizione chimica del gas. Pertanto, la manipolazione del gas riportata in questo documento è applicabile ad altri gas purché non si dissolvono completamente nei liquidi corrispondenti."
"Quali sono le potenziali applicazioni della tecnologia che consente l'autotrasporto e la manipolazione di bolle/gas in base alle microscanalature superidrofobiche scritte da laser a femtosecondi?"
"Riteniamo che i metodi riportati di autotrasporto del gas nell'acqua lungo microcanali superidrofobici strutturati con laser a femtosecondi apriranno molte nuove applicazioni nell'utilizzo dell'energia, nella produzione chimica, nella protezione dell'ambiente, nell'allevamento agricolo, nei chip microfluidici, nell'assistenza sanitaria, ecc."
I ricercatori sottolineano inoltre che questa strategia per l'autotrasporto del gas basata sulle microscanalature superidrofobiche, sebbene convalidata, è ancora agli inizi. L'influenza di vari fattori (come la dimensione delle microscanalature, la lunghezza del canale e il volume del gas) sulle prestazioni del trasporto del gas necessita di ulteriori ricerche. Devono essere sviluppate anche le applicazioni pratiche basate sulla funzione di autotrasporto del gas. + Esplora ulteriormente
