Inspirado por uma espécie de folha de árvore, cientistas da City University of Hong Kong (CityU) descobriram que a direção de espalhamento de diferentes líquidos depositados na mesma superfície pode ser direcionada, resolver um desafio que perdura há mais de dois séculos. Esta descoberta pode desencadear uma nova onda de uso de estruturas de superfície 3D para manipulação inteligente de líquidos com profundas implicações para várias aplicações científicas e industriais, como design de fluidos e aprimoramento de transferência de calor.

Liderado pelo Professor Wang Zuankai, professor catedrático do Departamento de Engenharia Mecânica (MNE) da CityU, a equipe de pesquisa descobriu que o comportamento inesperado de transporte de líquido da folha de Araucária fornece um protótipo emocionante para direção direcional de líquido, empurrando as fronteiras do transporte de líquidos. Suas descobertas foram publicadas na prestigiosa revista científica Ciência sob o título "Direção direcional líquida induzida por catraca capilar tridimensional".

Araucária é uma espécie de árvore popular no design de jardins. Sua folha consiste em catracas dispostas periodicamente inclinando-se em direção à ponta da folha. Cada catraca tem uma ponta, com curvatura transversal e longitudinal em sua superfície superior e uma relativamente plana, superfície inferior lisa. Quando um dos membros da equipe de pesquisa, Dr. Feng Shile, visitou um parque temático em Hong Kong com árvores de Araucária, a estrutura especial da superfície da folha chamou sua atenção.

A estrutura especial da folha permite que o líquido se espalhe em diferentes direções

“O entendimento convencional é que um líquido depositado em uma superfície tende a se mover em direções que reduzem a energia superficial. Sua direção de transporte é determinada principalmente pela estrutura da superfície e nada tem a ver com as propriedades do líquido, como a tensão superficial, "disse o professor Wang. Mas a equipe de pesquisa descobriu que líquidos com diferentes tensões superficiais apresentam direções opostas de propagação na folha da Araucária, em total contraste com a compreensão convencional.

Ao imitar sua estrutura natural, a equipe projetou uma superfície inspirada em folhas de Araucária (ALIS), com catracas 3D de tamanho milimétrico que permitem que os líquidos sejam perversos (ou seja, movidos por ação capilar) tanto para dentro quanto para fora do plano de superfície. Eles replicaram as propriedades físicas da folha com impressão 3D de polímeros. Eles descobriram que as estruturas e o tamanho das catracas, especialmente a estrutura reentrante na ponta das catracas, o espaçamento ponta a ponta das catracas, e o ângulo de inclinação das catracas, são cruciais para a direção direcional líquida.

Para líquidos com alta tensão superficial, como água, a equipe de pesquisa descobriu que uma fronteira do líquido é "fixada" na ponta da catraca 3D. Uma vez que o espaçamento ponta a ponta da catraca é comparável ao comprimento capilar (milímetro) do líquido, o líquido pode ir para trás contra a direção de inclinação da catraca. Em contraste, para líquidos com baixa tensão superficial, como etanol, a tensão superficial atua como uma força motriz e permite que o líquido se mova para a frente ao longo da direção de inclinação da catraca.

Primeira observação do líquido 'selecionando' o fluxo direcional

"Pela primeira vez, demonstramos o transporte direcional de diferentes líquidos na mesma superfície, abordando com sucesso um problema no campo da ciência de superfície e interface que existe desde 1804, "disse o professor Wang." O design racional das novas catracas capilares permite que o líquido 'decida' sua direção de espalhamento com base na interação entre a tensão superficial e a estrutura superficial. Foi como um milagre observar os diferentes fluxos direcionais de vários líquidos. Esta foi a primeira observação registrada no mundo científico. "

Ainda mais interessante, seus experimentos mostraram que uma mistura de água e etanol pode fluir em diferentes direções no ALIS, dependendo da concentração de etanol. Uma mistura com menos de 10% de etanol propagado para trás contra a direção de inclinação da catraca, enquanto uma mistura com mais de 40% de etanol propagou-se na direção de inclinação da catraca. Misturas de 10% a 40% de etanol movidas bidirecionalmente ao mesmo tempo.

“Ajustando a proporção de água e etanol na mistura, podemos mudar a tensão superficial da mistura, nos permitindo manipular a direção do fluxo de líquido, "disse o Dr. Zhu Pingan, Professor Auxiliar no MNE de CityU, um co-autor do artigo.

Controle da direção de espalhamento ajustando a tensão superficial

A equipe também descobriu que as catracas capilares 3D podem promover ou inibir o transporte de líquido dependendo da direção de inclinação das catracas. Quando o ALIS com catracas inclinadas para cima foi inserido em um prato com etanol, a ascensão capilar do etanol foi maior e mais rápida do que a de uma superfície com catracas simétricas (catracas perpendiculares à superfície). Ao inserir o ALIS com catracas inclinadas para baixo, a elevação capilar foi menor.

Suas descobertas fornecem uma estratégia eficaz para a orientação inteligente do transporte de líquidos até o destino alvo, abrindo uma nova avenida para o transporte de líquidos induzido pela estrutura e aplicações emergentes, como design de microfluídica, aprimoramento da transferência de calor e classificação inteligente de líquidos.

"Nossa nova direção direcional líquida tem muitas vantagens, como bem controlado, rápido, transporte de longa distância com autopropulsão. E o ALIS pode ser facilmente fabricado sem micro / nanoestruturas complicadas, "concluiu o professor Wang.