Transporte de uma gota com partículas traçadoras em uma superfície de mecan umedecimento do dispositivo de onda progressiva. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw0914
As aplicações modernas usam estratégias de autolimpeza e microfluidos digitais para controlar gotas individuais de fluidos em superfícies planas, mas as técnicas existentes são limitadas pelos efeitos colaterais de altos campos elétricos e altas temperaturas. Em um novo estudo, Edwin De Jong e colegas de trabalho nos departamentos interdisciplinares de Materiais Avançados, Engenharia Mecânica e Sistemas Moleculares Complexos desenvolveram uma técnica inovadora de "mecanowetting" para controlar o movimento das gotas em superfícies mutáveis com base na tensão superficial interfacial.
Para demonstrar o método, eles transportaram gotículas usando ondas transversais em superfícies horizontais e verticalmente inclinadas a velocidades iguais à velocidade da onda. Os cientistas capturaram o mecanismo fundamental da força de mecanização em teoria e quantitativamente para estabelecer a dependência do fenômeno das propriedades do fluido, energia de superfície e parâmetros de onda. Jong et al. demonstrou a "mecanowetting" como uma técnica que pode levar a uma gama de novas aplicações que caracterizam o controle de gotículas por meio de deformações de superfície. A pesquisa agora está publicada em Avanços da Ciência .
No trabalho, Jong et al. quantificou as forças de fixação dinâmicas que impulsionaram a mecanização ao estudar as gotículas de escalada de diversos tamanhos em vários ângulos de inclinação. Eles observaram forças inesperadamente grandes e foram capazes de direcionar as gotas até mesmo contra paredes verticais em velocidades substanciais. As gotas foram capazes de pegar partículas contaminantes ao longo do caminho para demonstrar seu potencial em aplicações de autolimpeza. Os cientistas capturaram os mecanismos básicos do transporte de gotículas numericamente e, em teoria, para estabelecer sua dependência de vários parâmetros físicos. Jong et al. Espere que a técnica conduza uma gama de novas aplicações baseadas na manipulação de linha trifásica do ângulo de contato e alternando topografias de superfície.
Transporte de gotas em topografias de superfície de onda transversal. (A) Esquema da configuração experimental do dispositivo de onda transversal. Aqui, A é a amplitude da onda, λ é o comprimento de onda, θY é o ângulo de contato, d é o tamanho de gota típico, patm é a pressão atmosférica, e Δp é a diferença de pressão criada por uma bomba de vácuo para transformar o filme PDMS plano em uma estrutura de superfície semelhante a uma onda com um comprimento de onda que é ditado pelo espaçamento da crista da correia. As linhas de fluxo dentro da gota são um esquema para ilustrar o fluxo interno da gota no quadro do centro de massa após a gota. (B a D) Gotículas de glicerol contendo partículas traçadoras transportadas pelo dispositivo de ondas progressivas. Aqui, A =4 ± 1 μm, λ =500 μm, e θY =100 ± 2 °. Na fig. S1, os quadros do filme são sobrepostos para gerar linhas de caminho, demonstrando o padrão de fluxo interno semelhante a uma esteira consistente com a Fig. 1A. (E a G) Simulações de dinâmica de fluido computacional (CFD) da gota de glicerol em um limite de superfície de deformação transversal para as mesmas características de onda viajante (forma, amplitude de onda, velocidade da onda, e comprimento de onda), propriedades da gota, e ângulo Young como nos experimentos. As pequenas setas dentro da gota indicam a velocidade do fluido local no referencial do centro de massa. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw0914
Os cientistas construíram um dispositivo para gerar ondas de superfície transversais regulares e controláveis para demonstrar experimentalmente o transporte de gotículas. Em seu mecanismo de ação, eles baixaram a pressão por baixo de um filme feito de polidimetilsiloxano (PDMS) preso por uma estrutura de metal para criar uma arquitetura de superfície em forma de onda para garantir ondas puramente transversais. Usando a configuração experimental, os cientistas controlaram gotículas variando de 0,1 a 5 µL em ondas transversais contando com um comprimento de onda de 500 nm viajando a uma velocidade de 0,57 mm / s; igual à velocidade da onda aplicada. Os cientistas de materiais realizaram uma combinação de simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD), modelagem teórica e experimentos de gota única para analisar numericamente as gotas individuais.
Durante os experimentos de modelagem computacional, eles desenvolveram um framework openFOAM para criar uma simulação que combinava perfeitamente com os experimentos. Para entender a eficácia do mecanismo de transporte de gotículas, os cientistas conduziram uma série de experimentos e simulações com gotas de escalada com o dispositivo inclinado em um ângulo de interesse. Jong et al. mostrou que quando a força motriz para a gota maior era maior do que a força gravitacional, a gota subiu, ao passo que, com gotas menores, a maior força gravitacional fazia com que as gotas deslizassem para baixo.
Transporte de gotas em superfícies inclinadas. (A) Ângulo crítico βcrit em função do tamanho de gota d normalizado pelo comprimento de onda λ. Os marcadores são resultados experimentais; barras de erro representam o SD de pelo menos três medições. A linha de tendência corresponde aos resultados numéricos. O modelo numérico usa as configurações experimentais como entrada, ou seja, o ângulo Young θY =68 °, comprimento de onda λ =500 μm, amplitude A =4,0 ± 1,0 μm, e a viscosidade dinâmica ν =1 mm2 s − 1 do fluido (água-isopropanol). A margem de erro na amplitude é refletida pela área sombreada ao redor da linha de tendência principal (em laranja). (B e C) Experiência de duas gotas mostrando gotas de tamanho d / λ =2,7 e 3,1 no ângulo de inclinação β =13 ° [correspondendo aos locais marcados em (A) indicados pelas linhas tracejadas]. As setas indicam o movimento da gota. (D) Resultados numéricos que representam a mudança no ângulo crítico βcrit como uma função da velocidade da onda uwave e amplitude da onda A para uma gota de tamanho d / λ =3,2 (λ =500 μm). O ponto de dados marcado corresponde à amplitude e velocidade da onda dos experimentos mostrados em (A). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw0914
Durante os experimentos, os cientistas identificaram uma "força restauradora" que impulsionou o movimento das gotas e quantificaram isso modelando a gota como uma capa esférica. Eles mostraram a força de fixação dinâmica que equilibrou as forças contrárias, que incluía fixação estática, gravidade e forças viscosas durante o transporte das gotas.
Eles obtiveram as forças mais altas que poderiam ser geradas na configuração para ângulos de contato próximos de 65,5 graus. Além disso, as gotículas nas ondas viajantes poderiam superar forças gravitacionais consideráveis para até escalar superfícies verticais a uma velocidade de 0,57 mm / s. Jong et al. mostrou gotículas de tamanho milimétrico que podiam ser transportadas de cabeça para baixo; para demonstrar fenômenos que até então careciam de demonstração experimental.
Análise numérica e teórica de gotas trepadeiras. A linha superior mostra instantâneos de simulação (corte transversal e vistas superiores), e a linha inferior mostra resultados teóricos da teoria integral de linha trifásica de uma gota de 0,15 μl (d / λ =2,1) (A e B) e uma gota de 0,30 μl (d / λ =2,7) (C e D ) para amplitude de onda A =5 μm. As situações em (A) e (C) correspondem à velocidade e inclinação da onda zero, uwave =0 mm s − 1 e β =0, e as situações em (B) e (D) correspondem a uma velocidade de onda uwave =0,57 mm s − 1 (apenas resultados de CFD) e ângulos de inclinação β ≈ βcrit ≈ 48 ° e 7 °, respectivamente. A altura das cristas da superfície (linha superior) é indicada por uma escala de cinza na vista superior e é exagerada na vista transversal. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw0914
Durante os experimentos in vitro (em laboratório), os cientistas formaram o dispositivo de ondas viajantes usando uma correia transportadora construída com usinagem de descarga elétrica com controle de velocidade embutido montado em uma câmara de vácuo. Eles fixaram o filme PDMS feito por spin-coating em uma moldura de alumínio colocada no topo da parte exposta da correia. A baixa pressão criada no dispositivo permitiu que o filme PDMS fosse pressionado contra a correia e os cientistas controlaram a amplitude da onda controlando o nível de pressão dentro da câmara.
Eles testaram o mecanismo usando vários fluidos, incluindo água, isopropanol e óleo mineral para mostrar o método como um robusto, processo consistente e reproduzível para mover gotas para todos os casos. Jong et al. verificamos essa eficácia pulverizando gotículas de tamanhos variados simultaneamente na onda viajante. A versatilidade observada de mecan umedecimento foi notável em comparação com métodos anteriores com requisitos especiais. Quando eles exploraram as propriedades de autolimpeza da superfície de mecanização móvel construída, os pesquisadores descobriram a capacidade das gotículas de limpar a superfície da contaminação. A técnica permitiu o movimento controlado das gotas para coletar detritos em locais designados, ao contrário dos processos de autolimpeza anteriores baseados em superfícies hidrofóbicas estáticas e rígidas.
Transporte de gotículas no teto na superfície de mecan umedecimento do dispositivo de ondas progressivas. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw0914
Desta maneira, Jong et al. demonstrou experimentalmente o movimento de gotículas de subida em superfícies de mecan umedecimento e enfatizou uma deformação topográfica necessária na linha trifásica de superfície para influenciar o equilíbrio da tensão superficial local e alcançar o movimento. A configuração atual é limitada como um dispositivo de prova de conceito experimental no mecanismo de mecanowetting. Os cientistas pretendem otimizar o sistema e construir dispositivos que apresentarão topografias que podem se deformar mecanicamente em resposta a estímulos externos, incluindo luz, campos magnéticos e temperatura. Eles também podem controlar a divisão e a fusão de gotículas, criando superfícies com duas ondas viajantes que se movem em direção ou para longe uma da outra.
Edwin Jong e colegas de trabalho acreditam que a mecanização pode ser totalmente explorada para abrir novas oportunidades para o manuseio de gotas de alta precisão em uma variedade de aplicações médicas e industriais com base no método detalhado no estudo. As gotas impulsionadas por mecan umedecimento encontrarão futuras aplicações em microfluídica para diagnósticos e manipulação / análise de células e como dispositivos de autolimpeza na medicina, em sensores marinhos, janelas e painéis solares, ao mesmo tempo que encontra aplicações na coleta de orvalho.
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