Las microgotas encuentran aplicaciones versátiles en los campos de la química, la ciencia de materiales y la bioquímica, particularmente en ingeniería química y microfluidos bioquímicos como microrreactores y biosensores. Lograr un control preciso sobre las microgotas en su forma, tamaño y ángulo de contacto (CA) es especialmente crucial para aplicaciones como el control preciso de los patrones de impresión/recubrimiento y las reacciones químicas.
La investigación actual aprovecha los efectos capilares y de borde de las superficies estructuradas con micropilares para lograr ciertos patrones poligonales de gotas de líquido. Sin embargo, cuando se proporciona una combinación específica de líquido/material, especialmente para superficies superhidrófilas (o completamente humectantes), el ángulo de contacto alcanzable está limitado por la ecuación de Gibbs convencional que normalmente se usa para acceder al CA de una macrogota en superficies rugosas. Las formas de contacto de las microgotas están limitadas a determinados polígonos. Lograr un control preciso sobre microgotas con formas arbitrarias y una amplia gama de CA ha sido un desafío durante mucho tiempo.
En un estudio publicado en las Proceedings of the National Academy of Sciences , el grupo del Prof. Gao Yurui del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología (NCNST) de la Academia de Ciencias de China, en colaboración con el Prof. Zeng Xiaocheng de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong y el Prof. Francisco Joseph S. de la Universidad de Pensilvania, empleando Las técnicas de fotolitografía y el procesamiento posterior fabricaron una clase de superficies estructuradas que presentan microparedes/microcanales concéntricos de circuito cerrado, lo que permite un control preciso de microgotas con una amplia gama de CA y una alta capacidad de sintonización de formas y patrones.
Basándose en la noción de "estados de humectación topológicos", los investigadores diseñaron una variedad de superficies con microparedes/microcanales ortorrómbicos homocéntricos de circuito cerrado utilizando técnicas de litografía. Estas superficies exhibieron ángulos de borde de micropared precisos de 90° y, con la aplicación del tratamiento UV/ozono, lograron un ángulo de contacto intrínseco de 0°. En estas superficies con estructuras de bucle cerrado se observaron estados de humectación topológica.
Debido a la topología de circuito cerrado de las estructuras de la superficie, las microgotitas exhibieron múltiples estados de Wenzel con sus líneas de contacto trifásicas fijadas en el borde exterior de la micropared. y el CA puede variar ampliamente de 0 a 130°. Al diseñar la forma de microparedes homocéntricas, el área de contacto y el tamaño de las microgotas también se pueden controlar de manera efectiva, lo que permite la formación no solo de formas regulares como círculos, triángulos y cuadrados, sino también de patrones irregulares como formas en forma de corazón. P>
Además, los investigadores ampliaron el control a la dimensión de CA. Propusieron un control en un amplio rango (de 0 a>130°), particularmente para combinaciones intrínsecamente humectantes de superficie/líquido, aprovechando la evaporación de gotas y la geometría de circuito cerrado.
Curiosamente, los investigadores descubrieron un fenómeno de humectación que desafía la ecuación tradicional de Gibbs al describir las gotas en sus límites:independientemente de la forma de la estructura de circuito cerrado, la CA máxima de la microgota permanece estable en alrededor de 130°, desviándose en gran medida del ángulo límite predicho por la ecuación de Gibbs basada en efectos de borde a macroescala.
Este hallazgo sugirió que la ecuación de Gibbs, utilizada tradicionalmente para acceder al CA de macrogotas en superficies rugosas, puede no ser aplicable a escala micro o nano. Esta conclusión es aplicable a varios líquidos, incluidos isopropanol, etanol, decano y octano considerados en este estudio.
A través de simulaciones independientes de dinámica molecular, los investigadores atribuyeron esta gran desviación de la predicción de la ecuación de Gibbs a un efecto acumulativo de la interacción agua-superficie y la estructura atómica del borde. Sugirieron agregar un término de corrección a la ecuación de Gibbs para abordar la aparente desviación.
"Este trabajo demostró microestructuras de circuito cerrado con bordes ortorrómbicos bien controlados, lo que permitió un análisis comparativo del ángulo de contacto de la gota y el ángulo del borde. Proporciona evidencia recopilada sobre la necesidad de la ecuación de Gibbs modificada a escala micro o nano y el resultado obtenido. Las gotas que se pueden controlar con precisión ofrecen la posibilidad de medirlas con precisión.
"Tiene implicaciones para la explotación de microgotas controlables en campos como los microfluidos, las reacciones químicas y la biodetección, lo que ofrece nuevas oportunidades para la fabricación de materiales y la síntesis ecológica", afirmó el profesor Gao.
Más información: Dongdong Lin et al, Estados de humectación topológica de microgotas en superficies estructuradas de circuito cerrado:desglose de la ecuación de Gibbs a microescala, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2315730121
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por la Academia China de Ciencias
