“Una vez que comenzó a llover y no se detuvo durante cuatro meses. Durante este tiempo, aprendimos todo tipo de lluvia: lluvia directa, lluvia inclinada, lluvia horizontal e incluso lluvia que va de abajo hacia arriba ”(Forrest Gump, 1994).
Por supuesto, recordamos que Forrest tenía una mirada especial al mundo que lo rodeaba. Hablando de la lluvia "de abajo hacia arriba", se refería a las gotas de lluvia que rebotaban en la superficie del embalse. Después de todo, el agua no puede simplemente subir, ¿verdad? Primero, tal vez. En segundo lugar, hacia arriba no es la única dirección del movimiento del agua. En tercer lugar, la dirección puede ser controlada. Las manipulaciones con pequeñas gotas de agua le permitirán crear laboratorios en un chip y otorgar a estos o esos materiales propiedades de autolimpieza. Anteriormente, estas declaraciones eran solo una teoría, pero recientemente se han confirmado en la práctica, de lo que hablaremos hoy. ¿Qué es un laboratorio en un chip, cómo pueden limpiarse las cosas y cómo los científicos lograron domar las gotas de agua? Las respuestas a estas preguntas están ocultas en el informe de los científicos. Vamos
Base de estudio
Cada vez escuchamos más la palabra "control". Los científicos están tratando de controlar casi todo lo que puede ayudar a lograr resultados exitosos de un estudio en particular: control de espines, control de moléculas, control de la corteza auditiva del cerebro del ratón, etc. En el caso de las tecnologías de autolimpieza y microfluídica digital, se requiere el control de las gotas de los líquidos utilizados en ellas.
Por el momento, ya existen varias tecnologías para manipular las gotas, sin embargo, todas ellas tienen inconvenientes bastante serios: patrones de electrodos complejos, temperatura demasiado alta (instalación de
Leidenfrost * ), baja velocidad de desplazamiento molecular, la necesidad de sustratos piezoeléctricos, etc.
El efecto Leidenfrost * es un fenómeno cuando, al contacto de un líquido con un cuerpo muy caliente (temperatura por encima del punto de ebullición de un líquido), se forma una capa de vapor aislante para evitar que el líquido hierva rápidamente.
Sin embargo, en el estudio que estamos examinando hoy, los científicos pudieron superar todas las deficiencias anteriores mediante la aplicación de un nuevo método: "
mechanowetting ". Esta técnica permitió que la gota se moviera a lo largo de superficies horizontales e inclinadas mediante ondas de superficie transversales. En este caso, la velocidad de la gota es igual a la velocidad de la onda. Más detalles sobre los resultados de las observaciones a continuación.
Resultados de la investigación
Para demostrar la ruta inusual de las gotas, los científicos han desarrollado un dispositivo que genera ondas de superficie transversales convencionales y controladas (
1a ).
Imagen No. 1La estructura superficial en forma de onda, que es claramente visible en 1a, se obtuvo reduciendo la presión bajo la película
PDMS * con un espesor de 50 μm. Debido a esto, la película se presiona contra una correa en movimiento con protuberancias transversales.
PDMS * - polidimetilsiloxano, (C 2 H 6 OSi) n .
La longitud de onda de la película está determinada por la distancia entre las protuberancias en la correa, y la amplitud de onda (3 a 5 μm) está controlada por la presión de vacío. Los científicos han descubierto que las gotas individuales con un volumen de 0.1 ... 5 μl (microlitro) en ondas transversales con una longitud de onda de 500 μm se mueven a una velocidad de 0.57 mm / s, que es igual a la velocidad de la onda utilizada.
Movimiento de una gota con un volumen de 1.3 μl (corresponde a las imágenes 1d - 1d ).Luego, los científicos realizaron el modelado de CFD (dinámica de fluidos computacional) junto con experimentos prácticos y fundamentos teóricos para comprender mejor la naturaleza de la fuerza impulsora, cuantificarla y, naturalmente, controlar mejor todo el sistema.
La descripción numérica de una sola gota se realizó utilizando un modelo CFD con límites de deformación vertical (marco OpenFOAM).
Modelo CFD de una gota con un volumen de 1,4 μl (corresponde a las imágenes 1e - 1g ).Al comparar el primer y el segundo video, así como imágenes de gotas reales e imágenes simuladas, vemos que los resultados coinciden perfectamente. El modelado confirma completamente las observaciones prácticas.
Los científicos analizaron las partículas dentro de la gotita comparando las observaciones con la velocidad de la gotita interna en el modelo CFD, como resultado de lo cual se detectó movimiento de rotación.
Imagen No. 2Luego, los científicos complicaron la tarea de las gotas al cambiar la pendiente de la superficie (
2a ) para que la fuerza gravitacional no sea más que la fuerza impulsora de las gotas. El gráfico
2a muestra los resultados de una serie de experimentos en los que cada volumen de caída de prueba corresponde a un valor crítico del ángulo de inclinación. Se observa cierta tendencia: el valor del ángulo crítico de inclinación disminuye al aumentar el volumen de gota. Esto se explica de manera bastante simple: la fuerza de la gravedad aumenta mucho más rápido que la fuerza impulsora de una caída, que actúa a través de una línea de contacto trifásica (líquido - líquido - aire).
También se encontró que el valor del ángulo crítico no disminuye linealmente (uniformemente), en cambio, hay una fuerte disminución, visible en el gráfico
2a .
Dos gotas de diferente volumen en una superficie con un ángulo de inclinación de 13 ° (corresponde a las imágenes 2b y 2c ).Dado que la fuerza impulsora de la caída más grande (3.1) es mayor que la gravitacional, la caída se mueve hacia arriba. Y la fuerza impulsora de la gota más pequeña (2.7) es menor que la gravitacional, por lo tanto, la caída rueda hacia abajo.
Cabe señalar que los datos de entrada para el modelo correspondieron a los parámetros de la configuración real y las gotas utilizadas en experimentos prácticos.
Luego, los científicos verificaron cómo la velocidad y la amplitud afectan el valor del ángulo crítico de inclinación. Como se puede ver en el diagrama de
2d , el ángulo crítico disminuye al aumentar la velocidad de la onda. También se descubrió que a una velocidad de onda suficientemente alta y en un rango de amplitud más bajo, la fuerza impulsora se vuelve insuficiente para la transferencia de gotas. Esto se debe al aumento de la resistencia viscosa asociada con un aumento en la disipación viscosa dentro de la gota.
La correlación entre la disipación y la velocidad de la gota se debe al hecho de que un aumento en la velocidad de transferencia de gotas necesariamente conduce a un aumento en la velocidad de flujo dentro de la gota debido a la naturaleza del movimiento de la gota (rotacional). Además, un aumento en la amplitud de onda conduce a un aumento lineal en el ángulo crítico.
El siguiente paso en el estudio fue aclarar las razones de la naturaleza oscilatoria del ángulo crítico de inclinación y su posible conexión con la forma de las gotas y las líneas de contacto durante su movimiento.
Imagen No. 3Los científicos decidieron considerar dos opciones para las gotas: 2.1, para el cual el ángulo crítico alcanza un máximo (fila superior en
3a y
3b ), y 2.7, para el cual el ángulo crítico alcanza un mínimo (fila superior en
3d y
3c ).
En un ángulo cero, las gotas (
3a y
3c ) tienen una forma simétrica. Cuando la ola comienza a moverse, el dispositivo se inclina, lo que conduce a una distorsión de la posición de la caída en relación con las crestas. Debido a esto, la forma de la gota se vuelve asimétrica (
3b y
3d ).
Al cambiar la forma de la gota, el sistema se desequilibra y se activa
la fuerza elástica * , que controla el movimiento de la gota.
Fuerza elástica * : durante la deformación del cuerpo, surge una fuerza elástica que tiende a volver a su forma anterior (es decir, a su estado original).
La determinación cuantitativa de la fuerza elástica se llevó a cabo mediante modelado teórico basado en un cambio instantáneo en el ángulo de contacto local tras la distorsión de la forma de la gota. En el medio modelo, las gotitas se describieron como partículas esféricas, y se fijó la magnitud de la distorsión de la forma de la gotita cuando el centro de masa de la misma gotita se desplazó en relación con el estado inicial (equilibrio). Ante esto, los científicos calcularon la fuerza por unidad de longitud (tensión) que surge del desequilibrio de las fuerzas de tensión superficial (flechas azules en la imagen No. 3) en la línea de contacto.
La fuerza total se obtuvo integrando las tensiones a lo largo de la línea trifásica, dando como resultado una fuerza neta (flecha roja en la imagen No. 3).
El modelo teórico confirmó que en el estado inicial (equilibrio), las tensiones de las líneas trifásicas son simétricas. Y durante la distorsión de la forma de la gota, surge su asimetría. En este caso, se genera fuerza pura (fijación dinámica), que equilibra las fuerzas opuestas (fijación estática, gravedad y fuerzas viscosas). Como resultado, se descubrió que las fuerzas más altas se pueden generar en un ángulo de contacto de aproximadamente 65.5 °.
El resultado intermedio es que las caídas pueden superar fácilmente las superficies inclinadas, aumentando a una velocidad de 0,57 mm / s, mientras superan las fuerzas gravitacionales (
4a ).
Imagen No. 4Movimiento vertical de una gota.El movimiento de una caída en el techo (corresponde a la imagen 4b ).En el dispositivo de "humidificación mecánica" demostrado, la fuerza máxima generada fue de 2 μN (micronewton). La distancia que puede cubrir una caída (en cualquier posición) está limitada solo por las dimensiones del propio dispositivo experimental. Un aumento en la superficie de trabajo aumentará la distancia recorrida por la caída a la misma velocidad.
Sin embargo, muchos de ustedes preguntarán: ¿qué gotas debería haber para que esta belleza funcione? Los investigadores también hicieron esta pregunta y probaron su metodología en diferentes líquidos (agua, alcohol isopropílico y aceite mineral). Las pruebas prácticas han demostrado que no hay mucha diferencia entre las tres opciones, y todas ellas son excelentes para implementar la metodología en estudio.
Demostración del movimiento simultáneo de muchas gotas de diferente volumen y, en consecuencia, de tamaño (correspondiente a la imagen 4c ).Los investigadores señalan que la presencia de un ángulo crítico como un aspecto importante de esta técnica le permite clasificar las gotas. Al inclinar la configuración en un cierto ángulo, puede ver que las gotas con un ángulo crítico por debajo del valor umbral no pueden moverse a lo largo de la onda, mientras que las gotas que muestran grandes ángulos críticos máximos serán transportadas. Por lo tanto, solo las gotas de cierto tamaño se moverán junto con la ola, y el resto se deslizará fuera de la superficie inclinada. Cuando se combinan dos gotas, este proceso de clasificación se repite y la gota se ordenará en función de su nuevo tamaño.
¿Y qué hay de las superficies autolimpiantes? Esta es una propiedad bastante útil, ¿no? Entonces, los investigadores realizaron observaciones de las gotas que se mueven alrededor de la instalación. Determinaron que estas gotas pueden limpiar la superficie de contaminantes.
Luego, los científicos crearon un modelo de la superficie contaminada aplicando una gran cantidad de carbonato de calcio (CaCO
3 con un tamaño de partícula <50 μm) a la superficie de la película PDMS (cubre el dispositivo).
Al encender el dispositivo de onda viajera, las partículas de CaCO
3 no desaparecieron en ninguna parte, pero conservaron su posición en la superficie, lo que está asociado con la naturaleza transversal de la onda. Luego, se aplicaron gotas de agua y alcohol isopropílico a la superficie contaminada. Las gotas se mueven a lo largo de la superficie, limpiándola de la contaminación.
Limpieza de superficies contaminadas con gotas "en funcionamiento" (corresponde a la imagen 4d ).Sin embargo, hay un efecto negativo en este proceso. La presencia de partículas de CaCO3 en la superficie de trabajo condujo a un aumento de la resistencia y una disminución de la velocidad efectiva de las gotas al 20% de la velocidad de la onda. Pero esto no impidió que las gotas limpiaran la superficie a lo largo de su ruta.
Los científicos también entienden completamente el momento provocativo de la estrechez del uso de las gotas de viajero exclusivamente en el marco de una configuración experimental. En el futuro, planean utilizar topografías superficiales sensibles, que se caracterizan por la deformación mecánica en respuesta a estímulos externos, como la luz, los campos magnéticos y la temperatura.
Los polímeros y elastómeros de cristal líquido fotosensibles son de particular interés para los investigadores. Y todo por su preciso control espacio-temporal, que permite un movimiento ondulatorio en la superficie con la ayuda de fuentes de luz estructuradas o en movimiento o con una iluminación constante mediante auto-sombreado.
Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que examine el
informe de los científicos y los
materiales adicionales .
Epílogo
En primer lugar, me gustaría señalar que los experimentos realizados con la configuración de prueba desarrollada por los científicos aún no son un producto o tecnología terminados. Esta configuración se utilizó para demostrar la técnica de gota dinámica estudiada y la función de autolimpieza.
En el futuro, los científicos planean usar otras tecnologías, en particular polímeros de cristal líquido y elastómeros, de los que hablamos anteriormente. Este trabajo es solo una confirmación de que la técnica de mecanohidratación tiene todo el derecho de existir, ya que tiene ventajas sobre otras tecnologías cuyos objetivos son similares a esta técnica.
Una de las principales áreas donde se puede aplicar este milagro del pensamiento científico es la microfluídica, es decir, el diagnóstico de líquidos con dispositivos de pequeño tamaño. Y la función de autolimpieza puede encontrar su aplicación en la creación de dispositivos médicos autolimpiables, sensores marinos, ventanas, paneles solares e incluso en la implementación de tecnologías para recoger el rocío.
Independientemente del futuro que le depare esta tecnología, el hecho mismo de su desarrollo habla de la naturaleza excepcional de la inteligencia humana. Nuestro cerebro es capaz de generar las ideas más extraordinarias y trascendentales que a veces son difíciles de implementar, pero el resultado de esta implementación confirma que nada es imposible para nosotros.
¡Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana de trabajo, muchachos! :)
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