A microfabricação torna as microgotículas obedientes ao padrão, mas a equação de Gibbs desobedece
(a) Imagens ópticas mostrando os ângulos extremos das bordas das superfícies circulares de circuito fechado com altura variada (H). (b) Imagem SEM da seção transversal das estruturas de malha fechada para H =60 μm. Todas as imagens mostram que os ângulos das bordas estão em torno de 90° com desvios insignificantes. Crédito:Anais da Academia Nacional de Ciências (2024). DOI:10.1073/pnas.2315730121 As microgotículas encontram aplicações versáteis nas áreas de química, ciência de materiais e bioquímica, particularmente em engenharia química e microfluídica bioquímica, como microrreatores e biossensores. Obter controle preciso sobre microgotículas em sua forma, tamanho e ângulo de contato (CA) é especialmente crucial para aplicações como controle preciso dos padrões de impressão/revestimento e reações químicas.
A pesquisa atual aproveita os efeitos capilares e de borda de superfícies estruturadas micropilares para obter certos padrões poligonais de gotículas líquidas. No entanto, quando dada uma combinação específica de líquido/material, especialmente para superfícies superhidrofílicas (ou completamente umedecidas), o ângulo de contato alcançável é limitado pela equação de Gibbs convencional normalmente usada para acessar o CA de uma macrogotícula em superfícies ásperas. As formas de contato das microgotículas são limitadas a determinados polígonos. Alcançar um controle preciso sobre microgotículas com formatos arbitrários e uma ampla gama de CAs tem sido um desafio há muito tempo.
Em um estudo publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences , o grupo do Prof. Gao Yurui do Centro Nacional de Nanociência e Tecnologia (NCNST) da Academia Chinesa de Ciências, em colaboração com o Prof. técnicas de fotolitografia e processamento subsequente, fabricaram uma classe de superfícies estruturadas com microparedes/microcanais concêntricos de circuito fechado, o que permite o controle preciso de microgotículas com ampla gama de CAs e alta forma e ajuste de padrão.
Com base na noção de "estados de umedecimento topológicos", os pesquisadores projetaram uma variedade de superfícies com microparedes/microcanais de circuito fechado ortorrômbicos homocêntricos usando técnicas de litografia. Essas superfícies exibiram ângulos precisos de borda de microparede de 90° e, com a aplicação de tratamento UV/ozônio, alcançaram um ângulo de contato intrínseco de 0°. Nestas superfícies com estruturas em malha fechada, foram observados estados topológicos de molhamento. A fixação de TCL na borda externa das microparedes durante a deposição e evaporação na superfície tratada com UV/Ozônio de 10 minutos com tampa fechada -microparedes/microcanais em loop. Crédito:Anais da Academia Nacional de Ciências (2024). DOI:10.1073/pnas.2315730121 Devido à topologia de circuito fechado das estruturas superficiais, as microgotículas exibiram múltiplos estados de Wenzel com suas linhas de contato trifásicas fixadas na borda externa da microparede. e o CA pode variar amplamente de 0 a 130°. Ao projetar a forma de microparedes homocêntricas, a área de contato e o tamanho das microgotículas também podem ser efetivamente controlados, permitindo a formação não apenas de formas regulares, como círculos, triângulos e quadrados, mas também de padrões irregulares, como formas em forma de coração.
Além disso, os pesquisadores estenderam o controle para a dimensão da AC. Eles propuseram o controle em uma ampla faixa (de 0 a>130°), particularmente para combinações de superfície/líquido intrinsecamente umedecidas completamente, aproveitando a evaporação das gotículas e a geometria de circuito fechado.
Curiosamente, os investigadores descobriram um fenómeno de humedecimento que desafia a equação tradicional de Gibbs ao descrever a gota nos seus limites:independentemente da forma da estrutura de circuito fechado, o CA máximo da microgotícula permanece estável em cerca de 130°, desviando-se largamente do ângulo limite previsto pela equação de Gibbs com base em efeitos de borda em macroescala.
Esta descoberta sugeriu que a equação de Gibbs, tradicionalmente usada para acessar o CA de macrogotículas em superfícies rugosas, pode não ser aplicável em escala micro ou nano. Esta conclusão é aplicável a vários líquidos, incluindo isopropanol, etanol, decano e octano considerados neste estudo.
Através de simulações independentes de dinâmica molecular, os pesquisadores atribuíram esse grande desvio da previsão da equação de Gibbs a um efeito cumulativo da interação água-superfície e da estrutura atômica da borda. Eles sugeriram adicionar um termo de correção à equação de Gibbs para resolver o desvio aparente.
"Este trabalho demonstrou microestruturas de malha fechada com bordas ortorrômbicas bem controladas, permitindo uma análise comparativa do ângulo de contato da gota e do ângulo da borda. Ele fornece evidências sobre a necessidade da equação de Gibbs modificada em escala micro ou nano e o obtido gotículas que podem ser controladas com precisão oferecem uma possibilidade de medição precisa de gotículas.
"Isso tem implicações para a exploração de microgotículas controláveis em áreas como microfluídica, reações químicas e biossensor, oferecendo novas oportunidades para fabricação de materiais e síntese verde", disse o Prof.
