A manipulação e o uso de gás na água têm amplas aplicações na utilização de energia, fabricação de produtos químicos, proteção ambiental, melhoramento agrícola, chips microfluídicos e assistência médica. A possibilidade de fazer com que bolhas subaquáticas se movam direcional e continuamente em uma determinada distância por meio de geometrias de gradiente exclusivas foi arquivada com sucesso, abrindo espaço para mais pesquisas sobre esse tópico empolgante. Em muitos casos, no entanto, a geometria do gradiente é microscópica e inadequada para o transporte de gás ao nível do microscópio porque a maioria das estruturas de gradiente em microescala fornece a força motriz insuficiente. Isso torna o autotransporte subaquático de bolhas e gases no nível microscópico um grande desafio.
Em um novo artigo publicado no International Journal of Extreme Manufacturing , uma equipe de pesquisadores, liderada pelo Prof. Feng Chen da Escola de Ciência e Engenharia Eletrônica da Universidade de Xi'an Jiaotong, na China, propôs uma estratégia inovadora para o autotransporte subaquático de gás ao longo de uma superfície superhidrofóbica aberta induzida por laser de femtossegundo com uma largura de microcanal inferior a 100 µm. A microranhura com micro/nanoestruturas superaerofílicas superhidrofóbicas e subaquáticas em sua parede interna não pode ser molhada pela água, de modo que um microcanal oco se forma entre o substrato e a água à medida que a superfície estruturada da ranhura é imersa na água. O gás pode fluir livremente ao longo do microcanal subaquático; ou seja, este microcanal possibilita o transporte de gás na água. As microranhuras superhidrofóbicas permitem o autotransporte de bolhas e gases em nível microscópico.

Femtossegundo (10 ^{− 15} s) a tecnologia a laser surgiu como uma solução promissora para preparar tal microranhura superhidrofóbica. Aproveitando seus dois recursos principais:intensidade de pico extremamente alta e largura de pulso ultracurta, os lasers de femtossegundos se tornaram uma ferramenta essencial para a fabricação moderna de extrema e ultraprecisão. O processamento a laser de femtosegundo tem as características de alta resolução espacial, pequena zona afetada pelo calor e fabricação sem contato. Em particular, o laser de femtosegundo pode ablar quase qualquer material, resultando em microestruturas na superfície do material. Assim, o laser de femtosegundo é uma ferramenta viável para criar microestruturas super-hidrofóbicas em superfícies de materiais, o que é essencial para realizar o autotransporte de gás em nível microscópico.

Micro/nanoestruturas hierárquicas foram facilmente produzidas no substrato de politetrafluoretileno (PTFE) inerentemente hidrofóbico por processamento a laser de femtosegundo, dotando a superfície de PTFE com excelente superhidrofobicidade e superaerofilia subaquática. Os microsulcos super-hidrofóbicos e superaerofílicos subaquáticos induzidos por laser de femtosegundo repelem grandemente a água e podem suportar o transporte de gás debaixo d'água porque um microcanal oco se formou entre a superfície de PTFE e o meio de água na água. O gás subaquático foi facilmente transportado através deste microcanal oco.

Curiosamente, quando microranhuras superhidrofóbicas conectam diferentes regiões superhidrofóbicas na água, o gás se transfere espontaneamente de uma pequena região para uma grande região. Um processo exclusivo de perfuração a laser também pode integrar os microfuros na folha de PTFE super-hidrofóbica e superaerófila subaquática.

A morfologia assimétrica dos microfuros em forma de Y induzidos por laser de femtosegundo e a supermolhabilidade da superfície única da folha de PTFE permitiram que as bolhas de gás passassem unidirecionalmente através da folha de PTFE supermolhante porosa (do lado dos furos pequenos para o lado dos furos grandes ) na água.

A penetração unidirecional anti-flutuação foi alcançada; isto é, o gás superou o empuxo da bolha e se autotransportou para baixo. Semelhante a um diodo, a função de passagem de gás unidirecional da folha porosa superumectante foi usada para determinar a direção de transporte do gás na manipulação de gás subaquático, evitando o refluxo de gás.

A diferença de pressão de Laplace impulsionou os processos de transporte espontâneo de gás e passagem unidirecional de bolhas. As folhas porosas super-hidrofóbicas e superaerofílicas subaquáticas também foram usadas com sucesso para separar água e gás com base no comportamento de autotransporte de gás.

O professor Feng Chen (diretor do Ultrafast Photonic Laboratory, UPL) e o professor associado Jiale Yong identificaram a importância da pesquisa e as potenciais aplicações desta tecnologia (autotransporte de gás subaquático) da seguinte forma:

"Como pensar em usar microranhuras superhidrofóbicas para transporte de gás?"

"As microestruturas superhidrofóbicas têm grande repelência à água, permitindo que os materiais repelam líquidos. Se uma microranhura tiver micro/nanoestruturas superhidrofóbicas em sua parede interna, a microranhura não será molhada pela água, pois a superfície estruturada da ranhura está imersa em água. microcanal oco se forma entre o substrato e o meio de água. Este microcanal permite o transporte de gás na água para que o gás possa fluir livremente ao longo do microcanal subaquático. O laser de femtosegundo pode facilmente fabricar um micro sulco super-hidrofóbico. do microcanal oco, que é inferior a 100 μm, permitindo-nos realizar o autotransporte de gás a nível microscópico."

"Por que o laser de femtossegundo foi usado para preparar uma microranhura super-hidrofóbica para o autotransporte de gás?"

"O laser é uma das maiores invenções do século 20 século. Nos últimos anos, o laser de femtosegundo tornou-se uma ferramenta essencial para a fabricação moderna de extrema precisão e ultra-precisão. O processamento a laser de femtosegundo é uma tecnologia flexível que pode escrever diretamente microranhuras super-hidrofóbicas e superaerofílicas subaquáticas na superfície de um substrato sólido e perfurar microfuros abertos através de um filme fino. Além disso, a trilha dos microsulcos abertos e a localização dos microfuros abertos podem ser projetadas com precisão pelo programa de controle durante o processamento a laser."

"Os tipos de gás afetam o autotransporte de bolhas e gases em nível microscópico?"

"Embora apenas a bolha de ar comum tenha sido estudada, deve-se notar que a força motriz para o transporte de gás não envolve a composição química do gás. Portanto, a manipulação de gás relatada neste artigo é aplicável a outros gases desde que eles não se dissolvem completamente nos líquidos correspondentes."

"Quais são as aplicações potenciais da tecnologia que alcança o autotransporte e manipulação de bolhas/gás com base nos microsulcos superhidrofóbicos escritos a laser de femtossegundos?"

“Acreditamos que os métodos relatados de autotransporte de gás na água ao longo de microcanais superhidrofóbicos estruturados a laser de femtosegundo abrirão muitas novas aplicações na utilização de energia, fabricação de produtos químicos, proteção ambiental, reprodução agrícola, chips microfluídicos, assistência médica, etc.”

Os pesquisadores também apontam que essa estratégia de autotransporte de gás com base nas microranhuras superhidrofóbicas, embora validada, ainda está em sua infância. A influência de vários fatores (como o tamanho das microranhuras, o comprimento do canal e o volume do gás) no desempenho do transporte de gás precisa de mais pesquisas. As aplicações práticas baseadas na função de autotransporte de gás também precisam ser desenvolvidas. + Explorar mais

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