Transporte de gotas sobre superficies sólidas a alta velocidad y largas distancias sin fuerza adicional, incluso contra la gravedad, es una tarea formidable. Pero un equipo de investigación compuesto por científicos de la City University of Hong Kong (CityU) y otras tres universidades e institutos de investigación ha ideado recientemente un mecanismo novedoso para transportar gotas a una velocidad y distancia récord sin un aporte de energía adicional. y las gotas se pueden mover hacia arriba a lo largo de una superficie vertical, que nunca se ha logrado antes. La nueva estrategia para controlar el movimiento de las gotas puede abrir un nuevo potencial en aplicaciones en dispositivos de microfluidos, dispositivos bioanalíticos y más.

Los métodos convencionales para transportar gotas incluyen aprovechar el gradiente de humectación en la superficie para inducir una fuerza impulsora y mover la gota de una superficie hidrófoba a una hidrófila. Sin embargo, la compensación fundamental que sustenta la hidrodinámica de las gotas impone limitaciones:el transporte de gotas a alta velocidad requiere un gran gradiente de humectación y, a su vez, se limita a una distancia corta, mientras que la distancia de transporte larga exige un pequeño gradiente de humectación para reducir la fuerza adhesiva entre la superficie líquida y sólida, y luego se restringe la velocidad de transporte.

Para superar estos desafíos, los investigadores han ideado una nueva estrategia que logra el transporte de gotas de líquido unidireccional y autopropulsadas sobre diversos sustratos. Su trabajo demuestra un rendimiento sin precedentes:la velocidad de transporte más alta (1,1 m / s) es 10 veces mayor de lo que se informó anteriormente, y representa la distancia de transporte ilimitada más larga.

Manipulación de la densidad de carga superficial

La clave de este avance radica en la manipulación de la carga superficial a través del contacto con el líquido, que se realizó por primera vez. El equipo de investigación primero dejó caer una cadena de gotas de agua sobre la superficie superampifóbica (súper repelente al agua y al aceite) especialmente diseñada que habían desarrollado previamente. Al impactar en la superficie, las gotas se esparcen inmediatamente, se retrajo y rebotó en la superficie. Esto resultó en la separación de electrones de las gotas, y la superficie impactada se cargó negativamente.

Al ajustar la altura desde la que caen las gotas en la superficie, la densidad de carga superficial en la superficie cambió gradualmente, formando un gradiente. Cuando posteriormente se colocó una gota en esa superficie, el gradiente de densidad de carga superficial actuó como fuerza impulsora. La gota se autopropulsaría y se movería en la dirección de mayor densidad de carga.

A diferencia de los gradientes químicos o morfológicos, que son difíciles de cambiar una vez que se crean, el gradiente de densidad de carga se puede cambiar fácilmente, permitiendo la reprogramación de trayectorias de movimiento de gotas. La investigación demuestra que el transporte de gotitas a alta velocidad y ultralargo se puede estimular a temperatura ambiente y no requiere energía adicional.

Este transporte de gotas no solo se manifiesta en superficies planas, pero también flexibles y colocados verticalmente. Además, se pueden transportar varios líquidos, incluidos aquellos con baja tensión superficial, baja constante dieléctrica, soluciones de sangre y sal.

Potencial de aplicación en dispositivos microfluídicos

"Prevemos que nuestra innovación en el uso del gradiente de densidad de carga superficial para programar el transporte de gotas, que no fue explorado antes, abrirá una nueva dirección de investigación y potencial en aplicaciones. Por ejemplo, en biomedicina, el diseño de superficies con gradiente de densidad de carga preferencial puede influir en la migración celular y otros comportamientos, ", dijo el profesor Wang. El profesor Deng también dijo que esta estrategia podría aplicarse en dispositivos de laboratorio en un chip de microfluidos y dispositivos bioanalíticos, así como en los campos de la ciencia de los materiales, dinámica de fluidos y más allá.