Transporte de gotículas em superfícies sólidas em alta velocidade e longas distâncias sem força adicional, mesmo contra a gravidade, é uma tarefa formidável. Mas uma equipe de pesquisa composta por cientistas da City University of Hong Kong (CityU) e três outras universidades e institutos de pesquisa desenvolveu recentemente um novo mecanismo para transportar gotas em alta velocidade e distância recorde, sem entrada de energia extra, e as gotas podem ser movidas para cima ao longo de uma superfície vertical, que nunca foi alcançado antes. A nova estratégia para controlar o movimento das gotas pode abrir um novo potencial em aplicações em dispositivos microfluídicos, dispositivos bioanalíticos e além.

Os métodos convencionais para transportar gotículas incluem alavancar o gradiente de umedecimento na superfície para induzir uma força motriz e mover a gota de superfície hidrofóbica para hidrofílica. Contudo, o trade-off fundamental subjacente à hidrodinâmica de gotículas impõe limitações:o transporte de gotículas em alta velocidade exige um grande gradiente de umedecimento e, por sua vez, é limitado a uma curta distância, enquanto a longa distância de transporte exige um pequeno gradiente de umedecimento para reduzir a força adesiva entre a superfície líquida e sólida, e a velocidade de transporte é então restringida.

Para superar esses desafios, os pesquisadores desenvolveram uma nova estratégia que atinge o transporte unidirecional e autopropelido de gotículas de líquido em diversos substratos. Seu trabalho demonstra um desempenho sem precedentes:a maior velocidade de transporte (1,1 m / s) é 10 vezes maior do que nunca antes relatada, e representa a distância de transporte ilimitada mais longa.

Manipulação da densidade de carga superficial

A chave para esse avanço está na manipulação da carga superficial por meio do contato do líquido, que foi realizado pela primeira vez. A equipe de pesquisa primeiro deixou cair uma cadeia de gotas de água na superfície superanfifóbica (super-repelente de água e óleo) especialmente projetada que eles haviam desenvolvido anteriormente. Após o impacto na superfície, as gotículas se espalham imediatamente, retraiu e ricocheteou da superfície. Isso resultou na separação dos elétrons das gotículas, e a superfície impactada tornou-se carregada negativamente.

Ajustando a altura a partir da qual as gotas caíram na superfície, a densidade de carga superficial na superfície mudou gradualmente, formando um gradiente. Quando uma gota foi posteriormente colocada naquela superfície, o gradiente de densidade de carga superficial atuou como uma força motriz. A gota então se autopropulsionaria e se moveria na direção de maior densidade de carga.

Ao contrário dos gradientes químicos ou morfológicos, que são difíceis de mudar depois de criados, o gradiente de densidade de carga pode ser facilmente alterado, permitindo a reprogramação de caminhos de movimento de gotículas. A pesquisa demonstra que o transporte de gotículas em alta velocidade e ultralongo pode ser estimulado em temperatura ambiente e não requer energia extra.

Esse transporte de gotículas não se manifesta apenas em superfícies planas, mas também os flexíveis e colocados verticalmente. Além disso, vários líquidos podem ser transportados, incluindo aqueles com baixa tensão superficial, constante dielétrica baixa, soluções de sangue e sal.

Potencial de aplicação em dispositivos microfluídicos

"Prevemos que nossa inovação no uso de gradiente de densidade de carga superficial para programar o transporte de gotículas, que não foi explorado antes, irá abrir uma nova direção de pesquisa e potencial em aplicações. Por exemplo, na biomedicina, o projeto de superfícies com gradiente de densidade de carga preferencial pode influenciar a migração celular e outros comportamentos, "disse o professor Wang. O professor Deng também disse que essa estratégia poderia ser aplicada em dispositivos microfluídicos lab-on-a-chip e dispositivos bioanalíticos, bem como nos campos da ciência dos materiais, dinâmica de fluidos e além.