Inspirado en una especie de hoja de árbol, Científicos de la City University of Hong Kong (CityU) descubrieron que la dirección de propagación de diferentes líquidos depositados en la misma superficie se puede dirigir, resolviendo un desafío que se ha mantenido durante más de dos siglos. Este avance podría iniciar una nueva ola de uso de estructuras de superficie 3D para la manipulación inteligente de líquidos con profundas implicaciones para diversas aplicaciones científicas e industriales. como el diseño de fluidos y la mejora de la transferencia de calor.

Dirigido por el profesor Wang Zuankai, catedrático del Departamento de Ingeniería Mecánica (MNE) de CityU, el equipo de investigación descubrió que el comportamiento inesperado de transporte de líquido de la hoja de Araucaria proporciona un prototipo emocionante para la dirección direccional de líquidos, empujando las fronteras del transporte de líquidos. Sus hallazgos fueron publicados en la prestigiosa revista científica Ciencias bajo el título "Dirección direccional líquida inducida por trinquete capilar tridimensional".

Araucaria es una especie de árbol popular en el diseño de jardines. Su hoja consta de trinquetes dispuestos periódicamente que se inclinan hacia la punta de la hoja. Cada trinquete tiene una punta, con curvatura transversal y longitudinal en su superficie superior y una relativamente plana, superficie inferior lisa. Cuando uno de los miembros del equipo de investigación, Dr. Feng Shile, visitó un parque temático en Hong Kong con árboles de Araucaria, la estructura especial de la superficie de la hoja llamó su atención.

La estructura especial de la hoja permite que el líquido se extienda en diferentes direcciones.

"El entendimiento convencional es que un líquido depositado en una superficie tiende a moverse en direcciones que reducen la energía de la superficie. Su dirección de transporte está determinada principalmente por la estructura de la superficie y no tiene nada que ver con las propiedades del líquido, como la tensión superficial, ", dijo el profesor Wang. Pero el equipo de investigación encontró que los líquidos con diferentes tensiones superficiales exhiben direcciones opuestas de propagación en la hoja de Araucaria, en marcado contraste con el entendimiento convencional.

Al imitar su estructura natural, el equipo diseñó una superficie inspirada en la hoja de Araucaria (ALIS), con trinquetes 3D de tamaño milimétrico que permiten que los líquidos sean malvados (es decir, movidos por acción capilar) tanto dentro como fuera del plano de la superficie. Replicaron las propiedades físicas de la hoja con la impresión 3D de polímeros. Descubrieron que las estructuras y el tamaño de los trinquetes, especialmente la estructura reentrante en la punta de los trinquetes, el espacio de punta a punta de los trinquetes, y el ángulo de inclinación de los trinquetes, son cruciales para la dirección direccional líquida.

Para líquidos con alta tensión superficial, como el agua, el equipo de investigación descubrió que una frontera de líquido está "fijada" en la punta del trinquete 3D. Dado que el espaciado de punta a punta del trinquete es comparable a la longitud capilar (milímetro) del líquido, el líquido puede retroceder contra la dirección de inclinación del trinquete. A diferencia de, para líquidos con baja tensión superficial, como el etanol, la tensión superficial actúa como fuerza motriz y permite que el líquido se mueva hacia adelante a lo largo de la dirección de inclinación del trinquete.

Primera observación del flujo direccional de 'selección' de líquido

"Por primera vez, demostramos el transporte direccional de diferentes líquidos en la misma superficie, abordar con éxito un problema en el campo de la ciencia de superficies e interfaces que ha existido desde 1804, ", dijo el profesor Wang." El diseño racional de los nuevos trinquetes capilares permite que el líquido 'decida' su dirección de propagación en función de la interacción entre su tensión superficial y la estructura de la superficie. Fue como un milagro observar los diferentes flujos direccionales de varios líquidos. Esta fue la primera observación registrada en el mundo científico ".

Aún más interesante, Sus experimentos demostraron que una mezcla de agua y etanol puede fluir en diferentes direcciones en el ALIS, dependiendo de la concentración de etanol. Una mezcla con menos del 10% de etanol propagado hacia atrás en contra de la dirección de inclinación del trinquete, mientras que una mezcla con más del 40% de etanol se propaga hacia la dirección de inclinación del trinquete. Mezclas de etanol del 10% al 40% se movieron bidireccionalmente al mismo tiempo.

"Al ajustar la proporción de agua y etanol en la mezcla, podemos cambiar la tensión superficial de la mezcla, permitiéndonos manipular la dirección del flujo del líquido, "dijo el Dr. Zhu Pingan, Profesor asistente en la MNE de CityU, coautor del artículo.

Controlar la dirección de esparcimiento ajustando la tensión superficial

El equipo también descubrió que los trinquetes capilares 3D pueden promover o inhibir el transporte de líquido según la dirección de inclinación de los trinquetes. Cuando se insertó el ALIS con trinquetes inclinados hacia arriba en un plato con etanol, el ascenso capilar del etanol fue mayor y más rápido que el de una superficie con trinquetes simétricos (trinquetes perpendiculares a la superficie). Al insertar el ALIS con trinquetes inclinados hacia abajo, la elevación capilar fue menor.

Sus hallazgos proporcionan una estrategia eficaz para la guía inteligente del transporte de líquidos al destino objetivo, abriendo una nueva vía para el transporte de líquidos inducido por estructuras y aplicaciones emergentes, como el diseño de microfluidos, mejora de la transferencia de calor y clasificación inteligente de líquidos.

"Nuestra nueva dirección direccional líquida tiene muchas ventajas, como bien controlado, rápido, Transporte de larga distancia con autopropulsión. Y el ALIS se puede fabricar fácilmente sin micro / nanoestructuras complicadas, "concluyó el profesor Wang.