La manipulación y el uso de gas en el agua tienen amplias aplicaciones en la utilización de energía, la fabricación de productos químicos, la protección del medio ambiente, la cría agrícola, los chips de microfluidos y el cuidado de la salud. La posibilidad de hacer que las burbujas submarinas se muevan de forma direccional y continua a lo largo de una distancia determinada a través de geometrías de gradiente únicas se ha archivado con éxito, lo que abre espacio para más investigaciones sobre este apasionante tema. En muchos casos, sin embargo, la geometría del gradiente es microscópica e inadecuada para transportar gas al nivel del microscopio porque la mayoría de las estructuras de gradiente a microescala proporcionan una fuerza impulsora insuficiente. Esto hace que el autotransporte submarino de burbujas y gases a nivel microscópico sea un gran desafío.

En un nuevo artículo publicado en el International Journal of Extreme Manufacturing , un equipo de investigadores, dirigido por el profesor Feng Chen de la Facultad de Ciencias Electrónicas e Ingeniería de la Universidad Xi'an Jiaotong, China, ha propuesto una estrategia innovadora para el autotransporte submarino de gas a lo largo de una superficie superhidrofóbica abierta inducida por láser de femtosegundos. con un ancho de microcanal inferior a 100 µm. El microsurco con micro/nanoestructuras superhidrofóbicas y superaerófilas bajo el agua en su pared interna no puede humedecerse con agua, por lo que se forma un microcanal hueco entre el sustrato y el agua cuando la superficie con estructura de surco se sumerge en agua. El gas puede fluir libremente a lo largo del microcanal submarino; es decir, este microcanal permite el transporte de gas en el agua. Los microsurcos superhidrofóbicos permiten el autotransporte de burbujas y gases a nivel microscópico.

Femtosegundo (10 ^{− 15} s) la tecnología láser ha surgido como una solución prometedora para preparar un microsurco superhidrofóbico de este tipo. Aprovechando sus dos características clave:intensidad máxima extremadamente alta y ancho de pulso ultracorto, los láseres de femtosegundo se han convertido en una herramienta esencial para la fabricación moderna de extrema precisión. El procesamiento láser de femtosegundo tiene las características de alta resolución espacial, pequeña zona afectada por el calor y fabricación sin contacto. En particular, el láser de femtosegundo puede eliminar casi cualquier material, lo que da como resultado microestructuras en la superficie del material. Por lo tanto, el láser de femtosegundo es una herramienta viable para crear microestructuras superhidrofóbicas en superficies de materiales, lo cual es esencial para realizar el autotransporte de gas a nivel microscópico.

Las micro/nanoestructuras jerárquicas se produjeron fácilmente en el sustrato de politetrafluoroetileno (PTFE) inherentemente hidrofóbico mediante el procesamiento con láser de femtosegundos, lo que dotó a la superficie de PTFE de una excelente superhidrofobicidad y supererofilia bajo el agua. Las microranuras superhidrofóbicas y superaerófilas bajo el agua inducidas por láser de femtosegundo repelen en gran medida el agua y pueden soportar el transporte de gas bajo el agua porque se formó un microcanal hueco entre la superficie de PTFE y el medio de agua en el agua. El gas submarino se transportaba fácilmente a través de este microcanal hueco.

Curiosamente, cuando las microranuras superhidrofóbicas conectan diferentes regiones superhidrofóbicas en el agua, el gas se transfiere espontáneamente de una región pequeña a una región grande. Un proceso único de perforación por láser también puede integrar los microagujeros en la lámina de PTFE superhidrofóbica y superaerófila bajo el agua.

La morfología asimétrica de los microagujeros en forma de "Y" inducidos por láser de femtosegundos y la superhumectabilidad superficial única de la lámina de PTFE permitieron que las burbujas de gas pasaran unidireccionalmente a través de la lámina de PTFE superhumectante porosa (del lado de los orificios pequeños al lado de los orificios grandes). ) en el agua.

Se logró la penetración unidireccional anti-flotabilidad; es decir, el gas superó la flotabilidad de la burbuja y se autotransportó hacia abajo. Similar a un diodo, la función del paso de gas unidireccional de la lámina porosa superhumectante se usó para determinar la dirección de transporte del gas al manipular el gas bajo el agua, evitando el reflujo de gas.

La diferencia de presión de Laplace impulsó los procesos de transporte espontáneo de gas y paso de burbujas unidireccional. Las láminas porosas superhidrofóbicas y superaerófilas bajo el agua también se utilizaron con éxito para separar el agua y el gas en función del comportamiento del autotransporte del gas.

El Profesor Feng Chen (Director del Laboratorio Fotónico Ultrarrápido, UPL) y el Profesor Asociado Jiale Yong han identificado la importancia de la investigación y las aplicaciones potenciales de esta tecnología (autotransporte de gas bajo el agua) de la siguiente manera:

"¿Cómo pensar en usar microsurcos superhidrofóbicos para el transporte de gas?"

"Las microestructuras superhidrofóbicas tienen una gran repelencia al agua, lo que permite que los materiales repelan los líquidos. Si una microranura tiene micro/nanoestructuras superhidrofóbicas en su pared interna, la microranura no será mojada por el agua ya que la superficie con estructura de ranura está sumergida en agua. Por lo tanto, una Se forma un microcanal hueco entre el sustrato y el medio de agua. Este microcanal permite el transporte de gas en el agua para que el gas pueda fluir libremente a lo largo del microcanal submarino. El láser de femtosegundo puede fabricar fácilmente un microsurco superhidrofóbico. El ancho del microsurco inducido por láser determina el ancho del microcanal hueco, que tiene menos de 100 μm, lo que nos permite realizar el autotransporte de gas a nivel microscópico".

"¿Por qué se usó el láser de femtosegundo para preparar una microranura tan superhidrofóbica para el autotransporte de gas?"

"El láser es uno de los mayores inventos del siglo XX ^th siglo. En los últimos años, el láser de femtosegundo se ha convertido en una herramienta esencial para la fabricación moderna de extrema y ultraprecisión. El procesamiento láser de femtosegundos es una tecnología flexible que puede escribir directamente microranuras superhidrofóbicas y superaerófilas bajo el agua en la superficie de un sustrato sólido y perforar microagujeros abiertos a través de una película delgada. Además, el programa de control puede diseñar con precisión la pista de las microranuras abiertas y la ubicación de los microagujeros abiertos durante el procesamiento láser".

"¿Los tipos de gas afectan el autotransporte de burbujas y gases a nivel microscópico?"

"Aunque solo se ha estudiado la burbuja de aire ordinaria, se debe tener en cuenta que la fuerza motriz para el transporte de gas no involucra la composición química del gas. Por lo tanto, la manipulación del gas que se informa en este documento es aplicable a otros gases siempre que no se disuelven completamente en los líquidos correspondientes".

"¿Cuáles son las posibles aplicaciones de la tecnología que logra el autotransporte y la manipulación de burbujas/gases con base en los microsurcos superhidrofóbicos escritos con láser de femtosegundos?"

"Creemos que los métodos informados de autotransporte de gas en el agua a lo largo de microcanales superhidrofóbicos estructurados con láser de femtosegundo abrirán muchas aplicaciones nuevas en la utilización de energía, fabricación de productos químicos, protección ambiental, reproducción agrícola, chips de microfluidos, atención médica, etc."

Los investigadores también señalan que esta estrategia para el autotransporte de gas basada en microranuras superhidrofóbicas, si bien está validada, aún está en pañales. La influencia de varios factores (como el tamaño de las microranuras, la longitud del canal y el volumen del gas) en el rendimiento del transporte de gas necesita más investigación. También es necesario desarrollar las aplicaciones prácticas basadas en la función de autotransporte de gas. + Explora más

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