Transporte de una gotita con partículas trazadoras en una superficie de mechaneocidad del dispositivo de ondas viajeras. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw0914
Las aplicaciones modernas utilizan estrategias de autolimpieza y microfluidos digitales para controlar las gotas individuales de los fluidos en superficies planas, pero las técnicas existentes están limitadas por los efectos secundarios de los campos eléctricos elevados y las altas temperaturas. En un nuevo estudio, Edwin De Jong y compañeros de trabajo en los departamentos interdisciplinarios de Materiales Avanzados, La Ingeniería Mecánica y los Sistemas Moleculares Complejos desarrollaron una técnica innovadora de "mechanowetting" para controlar el movimiento de las gotas en superficies cambiantes basadas en la tensión superficial interfacial.
Para demostrar el método, transportaron gotitas usando ondas transversales en superficies inclinadas horizontal y verticalmente a velocidades iguales a la velocidad de la onda. Los científicos capturaron en teoría y cuantitativamente el mecanismo fundamental de la fuerza de mecaconocimiento para establecer la dependencia del fenómeno de las propiedades del fluido. energía superficial y parámetros de las olas. Jong y col. demostró el "mechanowetting" como una técnica que puede conducir a una gama de nuevas aplicaciones que incluyen el control de gotas a través de deformaciones de la superficie. La investigación ahora se publica en Avances de la ciencia .
En el trabajo, Jong y col. cuantificó las fuerzas dinámicas de inmovilización que impulsaron la mechanowetting mediante el estudio de las gotitas trepadoras de diversos tamaños en diferentes ángulos de inclinación. Observaron fuerzas inesperadamente grandes y pudieron impulsar gotas incluso contra paredes verticales a velocidades sustanciales. Las gotas pudieron recoger partículas contaminantes en el camino para demostrar su potencial en aplicaciones de autolimpieza. Los científicos capturaron los mecanismos subyacentes del transporte de gotas numéricamente y en teoría para establecer su dependencia de múltiples parámetros físicos. Jong y col. Espere que la técnica impulse una gama de nuevas aplicaciones basadas en la manipulación de línea trifásica del ángulo de contacto y mediante la conmutación de topografías de superficie.
Transporte de gotitas en topografías de superficie de ondas transversales. (A) Esquema de la configuración experimental del dispositivo de onda transversal. Aquí, A es la amplitud de onda, λ es la longitud de onda, θY es el ángulo de contacto, d es el tamaño de gota típico, patm es la presión atmosférica, y Δp es la diferencia de presión creada por una bomba de vacío para transformar la película plana de PDMS en una estructura de superficie ondulada con una longitud de onda que viene dictada por el espaciado de las crestas de la correa. Las líneas de corriente dentro de la gota son un esquema para ilustrar el flujo interno de gotas en el marco del centro de masa que sigue a la gota. (B a D) Gota de glicerol que contiene partículas trazadoras transportadas por el dispositivo de ondas viajeras. Aquí, A =4 ± 1 μm, λ =500 micras, y θY =100 ± 2 °. En la Fig. S1, los fotogramas de la película se superponen para generar líneas de ruta, demostrando el patrón de flujo interno similar a una caminadora consistente con la Fig. 1A. (E a G) Simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) de la gota de glicerol en un límite de superficie que se deforma transversalmente para las mismas características de onda viajera (forma, amplitud de onda, velocidad de onda, y longitud de onda), propiedades de las gotas, y Young angle como en los experimentos. Las flechas pequeñas dentro de la gota indican la velocidad del fluido local en el marco de referencia del centro de masa. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw0914
Los científicos construyeron un dispositivo para generar ondas superficiales transversales regulares y controlables para demostrar experimentalmente el transporte de gotas. En su mecanismo de acción, bajaron la presión debajo de una película hecha de polidimetilsiloxano (PDMS) sujeta por un marco de metal para crear una arquitectura de superficie ondulada para asegurar ondas puramente transversales. Usando la configuración experimental, los científicos controlaron gotitas que iban de 0,1 a 5 µL en ondas transversales que representaban una longitud de onda de 500 nm viajando a una velocidad de 0,57 mm / s; igual a la velocidad de la onda aplicada. Los científicos de materiales llevaron a cabo una combinación de simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD), Modelado teórico y experimentos de gota única para analizar numéricamente las gotas individuales.
Durante los experimentos de modelado computacional, desarrollaron un marco openFOAM para crear una simulación que coincidía excelentemente con los experimentos. Para comprender la efectividad del mecanismo de transporte de gotas, Los científicos llevaron a cabo una serie de experimentos y simulaciones de gotas trepadoras con el dispositivo inclinado en un ángulo de interés. Jong y col. mostró que cuando la fuerza impulsora de la gota más grande era mayor que la fuerza gravitacional, la gota trepó hacia arriba, mientras que con gotas más pequeñas, la mayor fuerza gravitacional hizo que las gotas se deslizaran hacia abajo.
Transporte de gotas en superficies inclinadas. (A) Ángulo crítico βcrit en función del tamaño de gota d normalizado por la longitud de onda λ. Los marcadores son resultados experimentales; las barras de error representan la DE de al menos tres mediciones. La línea de tendencia corresponde a resultados numéricos. El modelo numérico utiliza la configuración experimental como entrada, es decir., el ángulo de Young θY =68 °, longitud de onda λ =500 μm, amplitud A =4.0 ± 1.0 μm, y la viscosidad dinámica ν =1 mm2 s − 1 del fluido (agua-isopropanol). El margen de error en la amplitud se refleja en el área sombreada alrededor de la línea de tendencia principal (en naranja). (B y C) Experimento de dos gotas que muestra gotas de tamaño d / λ =2.7 y 3.1 en un ángulo de inclinación β =13 ° [correspondiente a las ubicaciones marcadas en (A) indicadas por las líneas discontinuas]. Las flechas indican el movimiento de la gota. (D) Resultados numéricos que representan el cambio en el ángulo crítico βcrit en función de la velocidad de onda uwave y la amplitud de onda A para una gota de tamaño d / λ =3,2 (λ =500 μm). El punto de datos marcado corresponde a la amplitud y velocidad de onda de los experimentos que se muestran en (A). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw0914
Durante los experimentos, los científicos identificaron una "fuerza restauradora" que impulsaba el movimiento de las gotas y lo cuantificaron modelando la gota como un casquete esférico. Mostraron la fuerza de fijación dinámica que equilibró las fuerzas contrarias, que incluía fijación estática, fuerzas de gravedad y viscosas durante el transporte de gotas.
Obtuvieron las fuerzas más altas que podrían generarse en la configuración para ángulos de contacto cercanos a 65,5 grados. Además, las gotas de las ondas viajeras podrían superar fuerzas gravitacionales considerables para incluso trepar por superficies verticales a una velocidad de 0,57 mm / s. Jong y col. mostró gotitas de tamaño milimétrico que podían transportarse al revés; para demostrar fenómenos que hasta ahora habían carecido de demostración experimental.
Análisis numérico y teórico de gotitas trepadoras. La fila superior muestra instantáneas de simulación (vistas en sección transversal y superior), y la fila inferior muestra los resultados teóricos de la teoría integral de línea trifásica de una gota de 0.15 μl (d / λ =2.1) (A y B) y una gota de 0.30 μl (d / λ =2.7) (C y D ) para amplitud de onda A =5 μm. Las situaciones en (A) y (C) corresponden a la velocidad e inclinación de onda cero, uwave =0 mm s − 1 y β =0, y las situaciones en (B) y (D) corresponden a una velocidad de onda uwave =0.57 mm s − 1 (solo resultados CFD) y ángulos de inclinación β ≈ βcrit ≈ 48 ° y 7 °, respectivamente. La altura de las crestas de la superficie (fila superior) se indica mediante una escala de grises en la vista superior y está exagerada en la vista en sección transversal. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw0914
Durante los experimentos in vitro (en laboratorio), los científicos formaron el dispositivo de ondas viajeras utilizando una cinta transportadora construida con mecanizado de descarga eléctrica con control de velocidad incorporado montado en una cámara de vacío. Pegaron la película PDMS hecha por recubrimiento giratorio sobre un marco de aluminio colocado en la parte superior de la parte expuesta de este cinturón. La baja presión creada en el dispositivo permitió que la película de PDMS se presionara contra el cinturón y los científicos controlaron la amplitud de la onda controlando el nivel de presión dentro de la cámara.
Probaron el mecanismo utilizando varios fluidos, incluida agua, isopropanol y aceite mineral para mostrar el método como un método robusto, Proceso consistente y reproducible para mover gotas en todos los casos. Jong y col. verificó esta eficacia rociando gotas de diferentes tamaños simultáneamente sobre la onda viajera. La versatilidad observada del mechanowetting fue notable en comparación con los métodos anteriores con requisitos especiales. Cuando exploraron las propiedades de autolimpieza de la superficie humectante del mecanismo móvil los investigadores encontraron la capacidad de las gotas para limpiar la superficie de la contaminación. La técnica permitió el movimiento controlado de las gotas para recolectar escombros en lugares designados, a diferencia de los procesos de autolimpieza anteriores basados en superficies hidrófobas rígidas y estáticas.
Transporte de gotitas en el techo sobre la superficie de mechanowetting del dispositivo de ondas viajeras. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw0914
De este modo, Jong y col. demostró experimentalmente el movimiento de las gotitas trepadoras en superficies de mecanografía y enfatizó una deformación topográfica necesaria en la línea trifásica de la superficie para influir en el equilibrio de la tensión superficial local y lograr el movimiento. La configuración actual está limitada como un dispositivo experimental de prueba de concepto sobre el mecanismo de mechanowetting. Los científicos tienen como objetivo optimizar el sistema y construir dispositivos que contarán con topografías que pueden deformarse mecánicamente en respuesta a estímulos externos, incluida la luz, campos magnéticos y temperatura. También pueden controlar las gotas que se dividen y se fusionan creando superficies con dos ondas viajeras que se acercan o se alejan una de la otra.
Edwin Jong y sus colaboradores creen que la mechanowetting se puede explorar completamente para abrir nuevas oportunidades para el manejo de gotas de alta precisión en una variedad de aplicaciones médicas e industriales basadas en el método detallado en el estudio. Las gotitas impulsadas por mechanowetting encontrarán aplicaciones futuras en microfluidos para diagnóstico y manejo / análisis de células y como dispositivos de autolimpieza en medicina. en sensores marinos, ventanas y paneles solares, al mismo tiempo que encuentra aplicaciones en la recolección de rocío.
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