متسلقو السوائل: معالجة قطرات الماء لإنشاء مختبرات على الرقاقة وتقنية التنظيف الذاتي

"بمجرد أن بدأت تمطر ولم تتوقف لمدة أربعة أشهر. خلال هذا الوقت ، تعلمنا جميع أنواع الأمطار: المطر المباشر ، والميل المائل ، والمطر الأفقي ، وحتى المطر الذي يمتد من الأسفل إلى الأعلى "(Forrest Gump، 1994).

بالطبع ، نتذكر أن فورست كان له نظرة خاصة على العالم من حوله. عند حديثه عن المطر "من الأسفل إلى الأعلى" ، كان يقصد قطرات المطر التي ترتد على سطح الخزان. بعد كل شيء ، الماء لا يمكن أن يتحرك للأعلى ، أليس كذلك؟ أولا ، ربما. ثانيا ، التصاعدي ليس هو الاتجاه الوحيد لحركة المياه. ثالثا ، يمكن التحكم في الاتجاه. تتيح لك عمليات التلاعب التي تحتوي على قطرات صغيرة من الماء إنشاء مختبرات على الرقاقة وإعطاء هذه المواد أو تلك خصائص التنظيف الذاتي. في السابق ، كانت هذه التصريحات مجرد نظرية ، ولكن تم تأكيدها مؤخرًا في الممارسة العملية ، والتي سنتحدث عنها اليوم. ما هو المختبر الموجود على شريحة ، وكيف يمكن للأشياء تنظيف نفسها ، وكيف تمكن العلماء من ترويض قطرات الماء؟ الإجابات على هذه الأسئلة مخفية في تقرير العلماء. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

نسمع بشكل متزايد كلمة "السيطرة". يحاول العلماء السيطرة على كل شيء يمكن أن يساعد في تحقيق نتائج ناجحة لدراسة معينة: التحكم في الدوران ، والسيطرة على الجزيئات ، والسيطرة على القشرة السمعية لدماغ الفأر ، إلخ. في حالة تقنيات التنظيف الذاتي والميكروفلويديك الرقمية ، يلزم التحكم في قطرات السوائل المستخدمة فيها.

في الوقت الحالي ، يوجد بالفعل عدد من التقنيات لمعالجة القطرات ، ولكن جميعها بها عيوب خطيرة: أنماط الإلكترود المعقدة ، ودرجة الحرارة المرتفعة جدًا (تركيب لايدنفروست * ) ، والسرعة المنخفضة للإزاحة الجزيئية ، والحاجة إلى ركائز كهرضغطية كهربية ، إلخ.

إن تأثير Leidenfrost * هو ظاهرة ، عند ملامسة سائل له جسم ساخن جدًا (درجة حرارة أعلى من نقطة غليان السائل) ، يتم تكوين طبقة بخار عازلة تمنع السائل من الغليان بسرعة.

ومع ذلك ، في الدراسة التي ندرسها اليوم ، تمكن العلماء من التغلب على جميع أوجه القصور المذكورة أعلاه من خلال تطبيق طريقة جديدة - " التبني الميكانيكي ". سمحت هذه التقنية بنقل القطر على الأسطح الأفقية والمائلة عن طريق الموجات السطحية المستعرضة. في هذه الحالة ، تساوي سرعة القطرة سرعة الموجة. مزيد من التفاصيل حول نتائج الملاحظات أدناه.

نتائج البحوث

لإثبات مسار القطيرات غير المعتاد ، طور العلماء جهازًا يولد موجات عرضية تقليدية ويسيطر عليها ( 1 أ ).


الصورة رقم 1

تم الحصول على هيكل السطح الذي يشبه الموجة ، والذي يظهر بوضوح على 1 أ ، عن طريق تقليل الضغط تحت فيلم PDMS * بسماكة 50 ميكرون. لهذا السبب ، يتم ضغط الفيلم على حزام متحرك مع نتوءات عرضية.

PDMS * - polydimethylsiloxane ، (C ₂ H ₆ OSI) _n .

يتم تحديد الطول الموجي للفيلم من خلال المسافة بين النتوءات على الحزام ، ويتم التحكم في سعة الموجة (من 3 إلى 5 ميكرون) عن طريق الضغط الفراغي. لقد وجد العلماء أن الفرد يسقط بحجم 0.1 ... 5 ميكرولتر (ميكروليتر) في الموجات المستعرضة ذات الطول الموجي 500 ميكرومتر تتحرك بسرعة 0.57 ملم / ثانية ، وهو ما يعادل سرعة الموجة المستخدمة.


حركة القطرة مع حجم 1.3 ميكرولتر (يتوافق مع الصور 1D - 1D ).

بعد ذلك ، أجرى العلماء نمذجة CFD (ديناميات الموائع الحسابية) جنبًا إلى جنب مع التجارب العملية والأسس النظرية من أجل فهم طبيعة القوة الدافعة بشكل أفضل ، وتحديدها ، وبطبيعة الحال ، التحكم بشكل أفضل في النظام بأكمله.

تم إجراء الوصف العددي لسقوط واحد باستخدام نموذج CFD مع حدود تشوه عموديًا (إطار OpenFOAM).


نموذج CFD لقطرة بحجم 1.4 ميكرولتر (يتوافق مع الصور 1e - 1g ).

بمقارنة مقاطع الفيديو الأولى والثانية ، وكذلك صور قطرات حقيقية وصور محاكاة ، نرى أن النتائج متطابقة تمامًا. النمذجة تؤكد تماما الملاحظات العملية.

قام العلماء بتحليل الجسيمات الموجودة داخل القطرة من خلال مقارنة الملاحظات مع سرعة القطرة الداخلية في نموذج CFD ، نتيجة اكتشاف الحركة الدورانية.


الصورة رقم 2

بعد ذلك ، قام العلماء بتعقيد مهمة القطرات عن طريق تغيير ميل السطح ( 2 أ ) بحيث لا تصبح قوة الجاذبية أكثر من القوة الدافعة للقطرات. يوضح الرسم البياني 2 أ نتائج سلسلة من التجارب التي يناظر فيها كل حجم انخفاض في اختبار القيمة الحرجة لزاوية الميل. يتم ملاحظة اتجاه معين: تتناقص قيمة الزاوية الحرجة للميل مع زيادة حجم القطيرات. يتم تفسير ذلك ببساطة شديدة: تزيد قوة الجاذبية بشكل أسرع من القوة الدافعة للهبوط ، والتي تعمل من خلال خط اتصال ثلاثي المراحل (سائل - سائل - هواء).

وقد وجد أيضًا أن قيمة الزاوية الحرجة لا تنخفض خطيًا (بشكل موحد) ، بدلاً من ذلك ، هناك انخفاض حاد ، مرئي على الرسم البياني 2 أ .


قطرتين من حجم مختلف على سطح بزاوية ميل 13 درجة (يتوافق مع الصور 2B و 2C ).

نظرًا لأن القوة الدافعة للهبوط الأكبر (3.1) أكبر من الجاذبية ، يتحرك الهبوط لأعلى. والقوة الدافعة للهبوط الأصغر (2.7) أقل من الجاذبية ، وبالتالي فإن الهبوط يتدحرج.

تجدر الإشارة إلى أن بيانات الإدخال للنموذج تتوافق مع معلمات الإعداد الحقيقي والقطرات المستخدمة في التجارب العملية.

بعد ذلك ، فحص العلماء كيف تؤثر السرعة والسعة على قيمة زاوية الميل الحرجة. كما يتضح من الرسم البياني على 2d ، فإن الزاوية الحرجة تتناقص مع زيادة سرعة الموجة. وقد وجد أيضًا أنه عند سرعة موجة عالية بدرجة كافية وفي نطاق سعة أقل ، تصبح القوة الدافعة غير كافية لنقل القطيرات. هذا بسبب زيادة المقاومة اللزوجة المرتبطة بزيادة تبديد اللزوجة داخل القطرة.

يرجع الارتباط بين التبديد وسرعة القطرة إلى حقيقة أن الزيادة في معدل نقل القطرة تؤدي بالضرورة إلى زيادة معدل التدفق داخل القطرة بسبب طبيعة حركة القطرة (التناوب). بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي الزيادة في سعة الموجة إلى زيادة خطية في الزاوية الحرجة.

كانت الخطوة التالية في الدراسة هي توضيح أسباب الطبيعة التذبذبية لزاوية الميل الحرجة وارتباطها المحتمل بشكل القطرات وخطوط التلامس أثناء حركتها.


الصورة رقم 3

قرر العلماء النظر في خيارين للقطرات: 2.1 ، حيث تصل الزاوية الحرجة إلى الحد الأقصى (الصف العلوي في 3a و 3 b ) ، و 2.7 ، حيث تصل الزاوية الحرجة إلى الحد الأدنى (الصف العلوي في 3d و 3 c ).

في زاوية الصفر ، يكون للقطرات ( 3a و 3 c ) شكل متماثل. عندما تبدأ الموجة في التحرك ، يميل الجهاز ، مما يؤدي إلى تشويه موضع الهبوط بالنسبة إلى التلال. لهذا السبب ، يصبح شكل الحبرية غير متماثل ( 3b و 3 d ).

يؤدي تغيير شكل القطرة إلى إخراج النظام من التوازن وتنشيط القوة المرنة * ، التي تتحكم في حركة القطرة.

قوة مرنة * - أثناء تشوه الجسم ، تنشأ قوة مرنة ، والتي تميل إلى العودة إلى شكلها السابق (أي إلى حالتها الأصلية).

تم إجراء التحديد الكمي للقوة المرنة عن طريق النمذجة النظرية بناءً على تغيير لحظي في زاوية التلامس المحلية عند تشويه شكل القطرة. في الوسط النموذجي ، تم وصف القطرات على أنها جزيئات كروية ، وحجم تشويه شكل القطرة عندما تم تغيير مركز الكتلة لنفس القطرة بالنسبة إلى الحالة الأولية (التوازن). نظرًا لذلك ، قام العلماء بحساب القوة لكل وحدة طول (توتر) ناشئة عن اختلال قوى التوتر السطحي (الأسهم الزرقاء في الصورة رقم 3) على خط الاتصال.

تم الحصول على القوة الكلية من خلال دمج الضغوط على طول الخط ثلاثي الطور ، مما أدى إلى قوة صافية (السهم الأحمر في الصورة رقم 3).

أكد النموذج النظري أنه في حالة (التوازن) الأولية ، تكون توترات خطوط ثلاثية الطور متماثلة. وأثناء تشويه شكل القطرة ، ينشأ عدم تناسقها. في هذه الحالة ، يتم إنشاء القوة النقية (الربط الديناميكي) ، والتي تحقق التوازن بين القوى المتعارضة (التثبيت الثابت والجاذبية والقوى اللزجة). ونتيجة لذلك ، وجد أنه يمكن إنشاء أعلى القوى بزاوية اتصال تبلغ حوالي 65.5 درجة.

والنتيجة الوسيطة هي أن القطرات يمكن أن تتغلب بسهولة على الأسطح المائلة ، حيث ترتفع بسرعة 0.57 مم / ثانية ، مع التغلب على قوى الجاذبية ( 4 أ ).


الصورة رقم 4


حركة عمودي من انخفاض.


حركة الهبوط على السقف (تقابل الصورة 4 ب ).

في جهاز "الترطيب الميكانيكي" الظاهر ، كان الحد الأقصى للقوة المولدة هو 2 (N (ميكرونوتون). تقتصر المسافة التي يمكن أن تغطيها القطرة (في أي موضع) فقط على أبعاد الجهاز التجريبي نفسه. زيادة في سطح العمل ستزيد المسافة التي يسافر بها الهبوط في نفس السرعة.

ومع ذلك ، فإن العديد منكم سوف يسأل - ما هي القطرات التي يجب أن تكون موجودة لهذا الجمال؟ كما طرح الباحثون هذا السؤال واختبروا منهجيتهم على سوائل مختلفة (الماء ، كحول الأيزوبروبيل والزيوت المعدنية). لقد أظهرت الاختبارات العملية أنه لا يوجد فرق كبير بين الخيارات الثلاثة ، وكلها ممتازة لتنفيذ المنهجية قيد الدراسة.


مظاهرة للحركة المتزامنة للعديد من القطرات من أحجام مختلفة ، وبالتالي ، الحجم (المقابلة للصورة 4C ).

يلاحظ الباحثون أن وجود زاوية حرجة كجانب مهم من هذه التقنية يتيح لك فرز القطرات. عن طريق إمالة الإعداد بزاوية معينة ، يمكنك أن ترى أن القطرات ذات الزاوية الحرجة تحت قيمة العتبة لا يمكن أن تتحرك على طول الموجة ، في حين أن القطرات التي تظهر زوايا حرجة قصوى كبيرة سيتم نقلها. لذلك ، سوف تتحرك فقط القطرات من حجم معين جنبا إلى جنب مع الموجة ، والباقي سينزلق من السطح المائل. عند الجمع بين قطرتين ، يتم تكرار عملية الفرز هذه ، وسيتم فرز القائمة على أساس حجمها الجديد.

وماذا عن الأسطح ذاتية التنظيف؟ هذه ملكية مفيدة للغاية ، أليس كذلك؟ لذلك ، أجرى الباحثون ملاحظات من قطرات تتحرك حول التثبيت. قرروا أن هذه القطرات قادرة على تنظيف سطح الملوثات.

بعد ذلك ، ابتكر العلماء نموذجًا للسطح الملوث عن طريق تطبيق كمية كبيرة من كربونات الكالسيوم (CaCO ₃ بحجم جسيم أقل من 50 ميكرون) على سطح فيلم PDMS (يغطي الجهاز).

عند تشغيل جهاز الموجة المتحركة ، لم تختف جزيئات CaCO _{3 في} أي مكان ، لكنها احتفظت بموضعها على السطح ، وهو ما يرتبط بالطبيعة العرضية للموجة. ثم ، تم تطبيق قطرات الماء وكحول الأيزوبروبيل على السطح الملوث. تتحرك القطرات على طول السطح ، وبالتالي تنظيفها من التلوث.


تنظيف الأسطح الملوثة مع قطرات "الجري" (يتوافق مع الصورة 4d ).

ومع ذلك ، هناك تأثير سلبي في هذه العملية. أدى وجود جزيئات CaCO3 على سطح العمل إلى زيادة في المقاومة وانخفاض في سرعة القطرة الفعالة إلى 20 ٪ من سرعة الموجة. لكن هذا لم يمنع قطرات من تنظيف السطح على طول طريقهم.

كما يفهم العلماء تمامًا اللحظة الاستفزازية لضيق استخدام المسافر يسقط بشكل حصري في إطار الإعداد التجريبي. في المستقبل ، يخططون لاستخدام التصميمات السطحية الحساسة ، والتي تتميز بالتشوه الميكانيكي استجابة للمنبهات الخارجية ، مثل الضوء والمجالات المغناطيسية ودرجة الحرارة.

البوليمرات البلورية السائلة الحساسة للالمرنة هي ذات أهمية خاصة للباحثين. وكل ذلك بسبب التحكم الدقيق المكاني والزماني ، والذي يسمح بحركة تشبه الموجة على السطح بمساعدة مصادر ضوئية منظمة أو متحركة أو بإضاءة ثابتة عن طريق التظليل الذاتي.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء ومواد إضافية إليه.

خاتمة

بادئ ذي بدء ، أود أن أشير إلى أن التجارب التي أجريت باستخدام إعداد الاختبار التي طورها العلماء ليست بعد منتجا أو تكنولوجيا منتهية. تم استخدام هذا الإعداد لإظهار تقنية القطرات الديناميكية المدروسة ووظيفة التنظيف الذاتي.

في المستقبل ، يخطط العلماء لاستخدام تقنيات أخرى ، ولا سيما البوليمرات البلورية السائلة والمرنة ، والتي تحدثنا عنها في وقت سابق. هذا العمل هو فقط تأكيد على أن تقنية الترطيب الميكانيكي لها كل الحق في الوجود ، نظرًا لأن لها مزايا على التقنيات الأخرى التي تشبه أهدافها هذه التقنية.

واحدة من المجالات الرئيسية التي يمكن فيها تطبيق هذه المعجزة من التفكير العلمي هي ميكروفلويديك ، أي تشخيص السوائل باستخدام أجهزة صغيرة الحجم. ويمكن أن تجد وظيفة التنظيف الذاتي تطبيقًا لها في إنشاء الأجهزة الطبية ذاتية التنظيف ، وأجهزة الاستشعار البحرية ، والنوافذ ، والألواح الشمسية ، وحتى في تنفيذ تقنيات جمع الندى.

بغض النظر عن المستقبل الذي تنتظره هذه التكنولوجيا ، فإن حقيقة تطورها تتحدث عن الطبيعة الاستثنائية للذكاء البشري. إن عقولنا قادرة على توليد أكثر الأفكار استثنائية وتجاوزًا والتي يصعب تنفيذها في بعض الأحيان ، لكن نتيجة هذا التنفيذ تؤكد أنه لا يوجد شيء مستحيل بالنسبة لنا.

شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب! :)

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولار اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟