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  • Repelencia de líquidos mejorada a través de microestructuras flexibles

    Superficies de resorte en forma de hongo y de pilar en forma de hongo. (A y B) Diseño y fabricación de superficies flexibles tipo hongo-resorte S1, S2, y S3, así como una referencia rígida de pilar en forma de hongo P. (C y D) Diseño y fabricación de superficies flexibles de resorte en forma de hongo SS1, SS2, y SS3, así como una referencia PS rígida de pilar en forma de seta con resortes horizontales para unir cabezas adyacentes. Barras de escala, 100 μm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba9721

    Las superficies artificiales que pueden repeler líquidos han atraído una atención significativa en plataformas científicas e industriales para crear características topológicas funcionales. Pero el papel de las estructuras subyacentes que están en contacto con las gotas de líquido no se comprende bien. Los desarrollos recientes en micro-nanofabricación pueden permitir a los investigadores construir un sistema similar a piel-músculo que combina repelencia a líquidos en la interfaz. junto a una estructura mecánicamente funcional. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Songtao Hu y un equipo de científicos interdisciplinarios en China, Suiza y el Reino Unido, diseñó superficies bioinspiradas con cabezas repelentes en forma de hongo utilizando litografía láser directa tridimensional (3-D). El flexible tipo resorte soporta una elevada repelencia a los líquidos al resistir formas complejas de rotura de gotas y reducir el tiempo de contacto de las gotas con la superficie. El uso de soportes flexibles con forma de resorte es un enfoque de investigación de materiales sin precedentes que mejora la repelencia a los líquidos para un excelente control de la superficie y manipulación de las gotas. El trabajo amplió la investigación sobre microestructuras repelentes para generar posibilidades funcionales al vincular superficies funcionales con metamateriales mecánicos.

    La interacción entre las gotas de líquido y las interfaces sólidas en superficies artificiales repelentes de líquidos es importante para la autolimpieza. antihielo, y tecnologías antirreflejos y para los principios de recolección de agua y manipulación de gotas. Los investigadores están interesados ​​en imitar las características morfológicas y químicas de las superficies naturales para cumplir con el rendimiento biomimético en el laboratorio. Un ejemplo clásico es el efecto loto, que exhibe un rendimiento de impermeabilización al combinar la morfología jerárquica y las modificaciones químicas a base de cera. Para mejorar el efecto de loto en el laboratorio, Los investigadores han imitado la topología inspirada en la cola de resorte con cabezales flexibles en la parte superior de soportes en forma de pilar para manipular el contacto de las gotas con las superficies. En este trabajo, Hu y col. repelencia a líquidos mejorada utilizando el diseño de microestructura flexible para cerrar la brecha entre dos conceptos de investigación de superficies funcionales y materiales mecánicos para construir un sistema "similar a la piel-músculo".

    Diseño y fabricación

    La superficie superior del constructo se comportó como la piel para recibir y responder, mientras que los soportes subyacentes jugaron el papel de los músculos para ajustar las propiedades mecánicas. El trabajo abrirá una ventana de oportunidad para más funcionalidades y posibilidades al vincular superficies funcionales con metamateriales mecánicos. Usando polimerización de dos fotones, El equipo diseñó estructuras tridimensionales a medida en la micro-nanoescala para realizar el diseño de resorte en forma de hongo. Primero modelaron las superficies flexibles en SolidWorks y convirtieron los diseños en un formato de estereolitografía para la fabricación con una fotorresistencia en una sílice fundida recubierta de óxido de indio y estaño (ITO). Luego, el equipo cubrió la superficie con deposición de vapor químico para que los resortes flexibles se comporten como pilares rígidos. Hu y col. También apoyó una superficie inspirada en un trampolín donde los resortes verticales sostenían cabezas en forma de hongo y los resortes horizontales unían las cabezas adyacentes en forma de hongo para manipular la interfaz líquido-sólido.

    Proceso de gotas de impacto oblicuo. Extensión, retraerse, y comportamientos de rebote de las gotas de agua que impactan las superficies de los pilares en forma de hongo y manantial en una plataforma inclinada con un ángulo de 45 ° en We ~ 20.61. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba9721

    Prevención de la descomposición de las gotas y observación del rendimiento de propagación

    Las superficies de pilar en forma de hongo / resorte en forma de hongo mostraron una excelente capacidad anti-penetrante hacia las gotas estáticas de agua y los materiales mantuvieron la hidrofobicidad estructural (repelencia al agua) debido a su recubrimiento superficial. El equipo realizó pruebas para comprender el comportamiento de propagación y rebote de las gotas de agua bajo diversas velocidades de impacto y denominó sus formas como depositadas (DEP), comportamiento de rebote (REB) y fijación (PIN), con un aumento Nosotros valor (una relación adimensional entre fuerzas inerciales y capilares). Por ejemplo, cuando la energía impactante aumentó, el comportamiento REB heredó el lugar de DEP para exhibir una resistencia cinética efectiva a eventos de impacto. Luego, el equipo calculó el factor de dispersión máximo en función de Nosotros . Los científicos atribuyeron la diferencia en el factor de dispersión máximo entre diferentes estructuras superficiales a la rotura viscoelástica en materiales blandos. Para comprender mejor el comportamiento de propagación de las gotas impactantes en las microestructuras, Hu y col. estableció un modelo teórico de difusión, estimar el trabajo realizado (W) para extenderse a un diámetro máximo sobre una superficie flexible o rígida.

    Comportamiento posterior a la retracción de las gotas que impactan en las superficies de los pilares en forma de hongo y resorte. (A) Comportamientos posteriores a la retracción, incluido el depósito (DEP), rebote (REB), y anclar (PIN), en función de Nosotros. (B) Instantáneas proporcionadas a modo de ejemplo para visualizar diferentes comportamientos posteriores a la retracción a lo largo del tiempo. Barra de escala, 1 mm. Crédito de la foto:S. Hu, Universidad Jiao Tong de Shanghai. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba9721

    Coeficiente de restitución y tiempo de contacto

    Luego, los científicos calcularon el coeficiente de restitución, es decir., la relación de velocidad relativa entre dos objetos después de la colisión en la configuración, para cuantificar la energía cinética restante de las gotas después de despegar de las superficies. Las transiciones de deposición / rebote (DEP-REB) en tales superficies no revelaron la influencia de la modificación flexible en el coeficiente de restitución. . Discutieron el efecto de las modificaciones del soporte flexible en el tiempo de contacto de la gota, que dependía de la posición del impacto. Al inmovilizar microestructuras flexibles en un sustrato rígido con estrategias de fabricación eficientes, el equipo superó las deficiencias del contacto de las gotas.

    Comportamiento de propagación de las gotas que impactan en las superficies de los pilares en forma de hongo y resorte. (A) Factor de dispersión máximo Dmax / D0 en función de We. (B y C) Modelo de ensanchamiento teórico para estimar el trabajo realizado W en fase de ensanchamiento y los resultados correspondientes en función de We. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba9721

    De este modo, Songtao Hu y sus colegas salvaron la brecha entre dos áreas de investigación de superficies funcionales y materiales mecánicos para implementar un concepto similar al músculo de la piel en la ingeniería de superficies de materiales. Diseñaron cabezas impermeables en forma de hongo bioinspiradas sobre soportes flexibles en forma de resorte para repeler cinéticamente la intrusión de líquidos, adecuados para una variedad de aplicaciones. El equipo propuso una estructura avanzada similar a un trampolín para resolver la inestabilidad estructural en el contacto de las gotas. Utilizaron litografía láser directa 3-D para la fabricación de micro-nano con el fin de replicar con precisión las superficies flexibles con repelencia a líquidos sintonizable. Si bien la técnica Nanoscribe propuesta para la litografía láser directa en 3D de alta precisión ofrece una tecnología de creación rápida de prototipos, la técnica debe optimizarse para la fabricación a gran escala en la práctica. Las tecnologías de impresión 3-D en evolución brindarán más opciones para una eficacia de fabricación a escala centimétrica de alto rendimiento.

    Coeficiente de restitución y tiempo de contacto de las gotas que impactan en las superficies de la seta-resorte y la seta-pilar. (A) Coeficiente de restitución Hmax / H en función de We. (B) Tiempo de contacto adimensional Tc / τ en función de We y un límite teórico de inercia-capilaridad Tc / τ =2.2 Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba9721

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