Flüssigkeitskletterer: Manipulieren von Wassertropfen, um Labore auf einem Chip und Selbstreinigungstechnologie zu erstellen

„Einmal fing es an zu regnen und hörte vier Monate lang nicht auf. In dieser Zeit haben wir alle Arten von Regen gelernt: direkten Regen, schrägen Regen, horizontalen Regen und sogar Regen, der von unten nach oben geht “(Forrest Gump, 1994).

Natürlich erinnern wir uns, dass Forrest einen besonderen Blick auf die Welt um ihn herum hatte. Als er über den Regen "von unten nach oben" sprach, meinte er Regentropfen, die von der Oberfläche des Stausees abprallten. Wasser kann doch nicht einfach aufsteigen, oder? Zuerst vielleicht. Zweitens ist Aufwärtsbewegung nicht die einzige Richtung der Wasserbewegung. Drittens kann die Richtung gesteuert werden. Durch Manipulationen mit winzigen Wassertropfen können Sie Labore auf einem Chip erstellen und diesen oder jenen Materialien selbstreinigende Eigenschaften verleihen. Früher waren diese Aussagen nur eine Theorie, aber kürzlich wurden sie in der Praxis bestätigt, worüber wir heute sprechen werden. Was ist ein Labor auf einem Chip, wie können sich die Dinge selbst reinigen und wie haben Wissenschaftler es geschafft, Wassertropfen zu zähmen? Die Antworten auf diese Fragen sind im Bericht der Wissenschaftler verborgen. Lass uns gehen.

Studienbasis

Wir hören zunehmend das Wort "Kontrolle". Wissenschaftler versuchen, fast alles zu kontrollieren, was dazu beitragen kann, erfolgreiche Ergebnisse einer bestimmten Studie zu erzielen: Kontrolle der Spins, Kontrolle der Moleküle, Kontrolle des auditorischen Kortex des Maushirns usw. Bei selbstreinigenden Technologien und digitaler Mikrofluidik ist eine Kontrolle der Tröpfchen der darin verwendeten Flüssigkeiten erforderlich.

Derzeit gibt es bereits eine Reihe von Technologien zur Manipulation von Tropfen, die jedoch alle schwerwiegende Nachteile aufweisen: komplexe Elektrodenmuster, zu hohe Temperatur ( Leidenfrost- Installation * ), niedrige molekulare Verschiebungsgeschwindigkeit, Bedarf an piezoelektrischen Substraten usw.

Der Leidenfrost * -Effekt ist ein Phänomen, wenn beim Kontakt einer Flüssigkeit mit einem sehr heißen Körper (Temperatur über dem Siedepunkt einer Flüssigkeit) eine isolierende Dampfschicht gebildet wird, um zu verhindern, dass die Flüssigkeit schnell abkocht.

In der Studie, die wir heute untersuchen, konnten Wissenschaftler jedoch alle oben genannten Mängel durch Anwendung einer neuen Methode - der " mechanischen Benetzung " - beheben . Diese Technik ermöglichte es, den Tropfen mittels transversaler Oberflächenwellen entlang horizontaler und geneigter Oberflächen zu bewegen. In diesem Fall ist die Tröpfchengeschwindigkeit gleich der Wellengeschwindigkeit. Weitere Details zu den Ergebnissen der Beobachtungen unten.

Forschungsergebnisse

Um die ungewöhnliche Tröpfchenroute zu demonstrieren, haben Wissenschaftler ein Gerät entwickelt, das konventionelle und kontrollierte transversale Oberflächenwellen erzeugt ( 1a ).


Bild Nr. 1

Die wellenförmige Oberflächenstruktur, die auf 1a deutlich sichtbar ist, wurde durch Reduzieren des Drucks unter dem PDMS * -Film mit einer Dicke von 50 & mgr; m erhalten. Aus diesem Grund wird der Film mit Quervorsprüngen gegen ein sich bewegendes Band gedrückt.

PDMS * - Polydimethylsiloxan, (C ₂ H ₆ OSi) _n .

Die Wellenlänge des Films wird durch den Abstand zwischen den Vorsprüngen am Band bestimmt, und die Wellenamplitude (3 bis 5 μm) wird durch Vakuumdruck gesteuert. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich einzelne Tröpfchen mit einem Volumen von 0,1 ... 5 μl (Mikroliter) bei Transversalwellen mit einer Wellenlänge von 500 μm mit einer Geschwindigkeit von 0,57 mm / s bewegen, was der Geschwindigkeit der verwendeten Welle entspricht.


Bewegung eines Tröpfchens mit einem Volumen von 1,3 μl (entspricht den Bildern 1d - 1d ).

Anschließend führten die Wissenschaftler in Verbindung mit praktischen Experimenten und theoretischen Grundlagen eine CFD-Modellierung (Computational Fluid Dynamics) durch, um die Natur der treibenden Kraft besser zu verstehen, zu quantifizieren und natürlich das gesamte System besser zu steuern.

Die numerische Beschreibung eines einzelnen Tropfens wurde unter Verwendung eines CFD-Modells mit vertikal verformenden Grenzen (OpenFOAM-Framework) durchgeführt.


CFD-Modell eines Tröpfchens mit einem Volumen von 1,4 μl (entspricht den Bildern 1e - 1 g ).

Beim Vergleich des ersten und zweiten Videos sowie der Bilder von echten Tropfen und simulierten Bildern sehen wir, dass die Ergebnisse perfekt übereinstimmen. Die Modellierung bestätigt die praktischen Beobachtungen vollständig.

Die Wissenschaftler analysierten die Partikel im Tröpfchen, indem sie die Beobachtungen mit der Geschwindigkeit der inneren Tröpfchen im CFD-Modell verglichen, wodurch eine Rotationsbewegung festgestellt wurde.


Bild Nr. 2

Als nächstes komplizierten die Wissenschaftler die Aufgabe für die Tropfen, indem sie die Neigung der Oberfläche ( 2a ) so änderten, dass die Gravitationskraft nicht größer als die treibende Kraft der Tropfen wird. Grafik 2a zeigt die Ergebnisse einer Reihe von Experimenten, bei denen jedes Testtropfenvolumen einem kritischen Wert des Neigungswinkels entspricht. Eine gewisse Tendenz ist zu beobachten: Der Wert des kritischen Neigungswinkels nimmt mit zunehmendem Tröpfchenvolumen ab. Dies lässt sich ganz einfach erklären: Die Schwerkraft steigt viel schneller an als die treibende Kraft eines Tropfens, der über eine dreiphasige Kontaktlinie (Flüssigkeit - Flüssigkeit - Luft) wirkt.

Es wurde auch festgestellt, dass der Wert des kritischen Winkels nicht linear (gleichmäßig) abnimmt, sondern es gibt einen starken Abfall, der in Grafik 2a sichtbar ist.


Zwei Tropfen unterschiedlichen Volumens auf einer Oberfläche mit einem Neigungswinkel von 13 ° (entspricht den Bildern 2b und 2c ).

Da die treibende Kraft des größeren Tropfens (3.1) größer ist als die der Gravitation, bewegt sich der Tropfen nach oben. Und die treibende Kraft des kleineren Tropfens (2.7) ist geringer als die der Gravitation, daher rollt der Tropfen nach unten.

Es ist zu beachten, dass die Eingabedaten für das Modell den Parametern des realen Aufbaus und den in praktischen Experimenten verwendeten Tröpfchen entsprachen.

Als nächstes überprüften die Wissenschaftler, wie sich Geschwindigkeit und Amplitude auf den Wert des kritischen Neigungswinkels auswirken. Wie aus dem Diagramm auf 2d ersichtlich ist, nimmt der kritische Winkel mit zunehmender Wellengeschwindigkeit ab. Es wurde auch gefunden, dass bei einer ausreichend hohen Wellengeschwindigkeit und in einem niedrigeren Amplitudenbereich die Antriebskraft für die Tröpfchenübertragung unzureichend wird. Dies ist auf den erhöhten viskosen Widerstand zurückzuführen, der mit einer Zunahme der viskosen Dissipation innerhalb des Tröpfchens verbunden ist.

Die Korrelation zwischen Dissipation und Tröpfchengeschwindigkeit beruht auf der Tatsache, dass eine Erhöhung der Tröpfchenübertragungsrate aufgrund der Art der Tröpfchenbewegung (Rotation) notwendigerweise zu einer Erhöhung der Strömungsrate innerhalb des Tröpfchens führt. Zusätzlich führt eine Zunahme der Wellenamplitude zu einer linearen Zunahme des kritischen Winkels.

Der nächste Schritt in der Studie bestand darin, die Gründe für die Schwingung des kritischen Neigungswinkels und seine mögliche Verbindung mit der Form der Tröpfchen und der Kontaktlinien während ihrer Bewegung zu klären.


Bild Nr. 3

Die Wissenschaftler beschlossen, zwei Optionen für Tropfen in Betracht zu ziehen: 2.1, bei denen der kritische Winkel ein Maximum erreicht (obere Reihe bei 3a und 3b ), und 2.7, bei denen der kritische Winkel ein Minimum erreicht (obere Reihe bei 3d und 3c ).

Bei einem Winkel von Null haben die Tröpfchen ( 3a und 3c ) eine symmetrische Form. Wenn sich die Welle zu bewegen beginnt, kippt das Gerät, was zu einer Verzerrung der Position des Tropfens relativ zu den Rippen führt. Aufgrund dessen wird die Tröpfchenform asymmetrisch ( 3b und 3d ).

Das Ändern der Form des Tropfens bringt das System aus dem Gleichgewicht und aktiviert die elastische Kraft * , die die Bewegung des Tropfens steuert.

Elastische Kraft * - Während der Verformung des Körpers entsteht eine elastische Kraft, die dazu neigt, zu ihrer vorherigen Form (d. H. Zu ihrem ursprünglichen Zustand) zurückzukehren.

Die quantitative Bestimmung der elastischen Kraft erfolgte mittels theoretischer Modellierung auf der Grundlage einer augenblicklichen Änderung des lokalen Kontaktwinkels bei Verzerrung der Tröpfchenform. In dem Modellmedium wurden Tröpfchen als kugelförmige Teilchen beschrieben, und die Größe der Verzerrung der Tröpfchenform, wenn der Schwerpunkt desselben Tröpfchens relativ zum Anfangszustand (Gleichgewichtszustand) verschoben wurde, wurde festgelegt. Vor diesem Hintergrund berechneten die Wissenschaftler die Kraft pro Längeneinheit (Spannung), die sich aus dem Ungleichgewicht der Oberflächenspannungskräfte (blaue Pfeile in Bild Nr. 3) auf der Kontaktlinie ergibt.

Die Gesamtkraft wurde durch Integrieren der Spannungen entlang der Dreiphasenlinie erhalten, was zu einer Nettokraft führte (roter Pfeil in Bild Nr. 3).

Das theoretische Modell bestätigte, dass im Ausgangszustand (Gleichgewichtszustand) die Spannungen der Dreiphasenlinien symmetrisch sind. Und während der Verzerrung der Tropfenform entsteht ihre Asymmetrie. In diesem Fall wird eine reine Kraft (dynamische Befestigung) erzeugt, die die entgegengesetzten Kräfte (statische Befestigung, Schwerkraft und viskose Kräfte) ausgleicht. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass die höchsten Kräfte bei einem Kontaktwinkel von etwa 65,5 ° erzeugt werden können.

Das Zwischenergebnis ist, dass Tropfen leicht geneigte Oberflächen überwinden können, die mit einer Geschwindigkeit von 0,57 mm / s ansteigen und gleichzeitig die Gravitationskräfte überwinden ( 4a ).


Bild Nr. 4


Vertikale Bewegung eines Tropfens.


Die Bewegung eines Tropfens an der Decke (entspricht Bild 4b ).

In der vorgestellten Vorrichtung zur mechanischen Befeuchtung betrug die maximal erzeugte Kraft 2 μN (Mikronewton). Die Entfernung, die ein Tropfen (in jeder Position) zurücklegen kann, ist nur durch die Abmessungen des Versuchsgeräts selbst begrenzt. Eine Vergrößerung der Arbeitsfläche erhöht die vom Tropfen bei gleicher Geschwindigkeit zurückgelegte Strecke.

Viele von Ihnen werden jedoch fragen: Welche Tropfen sollte es geben, damit diese Schönheit wirkt? Die Forscher stellten diese Frage ebenfalls und testeten ihre Methodik an verschiedenen Flüssigkeiten (Wasser, Isopropylalkohol und Mineralöl). Praktische Tests haben gezeigt, dass zwischen den drei Optionen kein großer Unterschied besteht, und alle eignen sich hervorragend für die Implementierung der untersuchten Methodik.


Demonstration der gleichzeitigen Bewegung vieler Tropfen mit unterschiedlichem Volumen und entsprechend großer Größe (entsprechend Bild 4c ).

Forscher stellen fest, dass das Vorhandensein eines kritischen Winkels als wichtiger Aspekt dieser Technik das Sortieren von Tropfen ermöglicht. Wenn Sie das Setup in einem bestimmten Winkel neigen, können Sie sehen, dass sich Tropfen mit einem kritischen Winkel unter dem Schwellenwert nicht entlang der Welle bewegen können, während Tropfen mit großen maximalen kritischen Winkeln transportiert werden. Daher bewegen sich nur Tropfen einer bestimmten Größe mit der Welle, und der Rest rutscht von der geneigten Oberfläche. Wenn zwei Tropfen kombiniert werden, wird dieser Sortiervorgang wiederholt und der Tropfen wird basierend auf seiner neuen Größe sortiert.

Und was ist mit selbstreinigenden Oberflächen? Dies ist eine ziemlich nützliche Eigenschaft, nicht wahr? Daher führten die Forscher Beobachtungen der Tröpfchen durch, die sich in der Anlage bewegten. Sie stellten fest, dass diese Tropfen die Oberfläche von Verunreinigungen reinigen können.

Als nächstes erstellten die Wissenschaftler ein Modell der kontaminierten Oberfläche, indem sie eine große Menge Calciumcarbonat (CaCO ₃ mit einer Partikelgröße <50 μm) auf die Oberfläche des PDMS-Films aufbrachten (bedeckt das Gerät).

Beim Einschalten der Wanderwellenvorrichtung verschwanden die CaCO ₃ -Partikel nirgendwo, sondern behielten ihre Position auf der Oberfläche bei, was mit der transversalen Natur der Welle verbunden ist. Dann wurden Wassertropfen und Isopropylalkohol auf die kontaminierte Oberfläche aufgetragen. Tropfen bewegen sich entlang der Oberfläche und reinigen sie so von Verunreinigungen.


Kontaminierte Oberflächen mit „laufenden“ Tropfen reinigen (entspricht Bild 4d ).

Dieser Prozess wirkt sich jedoch negativ aus. Das Vorhandensein von CaCO3-Partikeln auf der Arbeitsfläche führte zu einer Erhöhung des Widerstands und einer Verringerung der effektiven Tröpfchengeschwindigkeit auf 20% der Wellengeschwindigkeit. Dies hinderte die Tropfen jedoch nicht daran, die Oberfläche entlang ihrer Route zu reinigen.

Die Wissenschaftler verstehen auch den provokativen Moment der Enge der Verwendung von Traveller Drops ausschließlich im Rahmen eines Versuchsaufbaus. In Zukunft planen sie die Verwendung empfindlicher Oberflächentopografien, die durch mechanische Verformung als Reaktion auf äußere Reize wie Licht, Magnetfelder und Temperatur gekennzeichnet sind.

Lichtempfindliche Flüssigkristallpolymere und -elastomere sind für Forscher von besonderem Interesse. Und das alles aufgrund ihrer präzisen räumlich-zeitlichen Steuerung, die eine wellenförmige Bewegung auf der Oberfläche mit Hilfe strukturierter oder sich bewegender Lichtquellen oder eine konstante Beleuchtung durch Selbstbeschattung ermöglicht.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Nachwort

Zunächst möchte ich darauf hinweisen, dass die Experimente, die mit dem von Wissenschaftlern entwickelten Testaufbau durchgeführt wurden, noch kein fertiges Produkt oder keine fertige Technologie sind. Dieser Aufbau wurde verwendet, um die untersuchte dynamische Tröpfchentechnik und die Selbstreinigungsfunktion zu demonstrieren.

In Zukunft planen Wissenschaftler, andere Technologien einzusetzen, insbesondere Flüssigkristallpolymere und -elastomere, über die wir bereits gesprochen haben. Diese Arbeit ist nur eine Bestätigung dafür, dass die Technik der Mechanohydratation jedes Existenzrecht hat, da sie Vorteile gegenüber anderen Technologien hat, deren Ziele dieser Technik ähnlich sind.

Einer der Hauptbereiche, in denen dieses Wunder des wissenschaftlichen Denkens angewendet werden kann, ist die Mikrofluidik, dh die Diagnose von Flüssigkeiten mit kleinen Geräten. Und die Selbstreinigungsfunktion findet Anwendung bei der Herstellung selbstreinigender medizinischer Geräte, Schiffssensoren, Fenster, Sonnenkollektoren und sogar bei der Implementierung von Technologien zum Sammeln von Tau.

Welche Zukunft diese Technologie auch immer erwartet, die Tatsache ihrer Entwicklung spricht für die außergewöhnliche Natur der menschlichen Intelligenz. Unser Gehirn ist in der Lage, die außergewöhnlichsten, transzendierendsten Ideen zu generieren, die manchmal schwer umzusetzen sind. Das Ergebnis dieser Umsetzung bestätigt jedoch, dass für uns nichts unmöglich ist.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs! :) :)

Vielen Dank für Ihren Aufenthalt bei uns. Gefällt dir unser Artikel? Möchten Sie weitere interessante Materialien sehen? Unterstützen Sie uns, indem Sie eine Bestellung aufgeben oder Ihren Freunden empfehlen, einen Rabatt von 30% für Habr-Benutzer auf ein einzigartiges Analogon von Einstiegsservern, das wir für Sie erfunden haben: Die ganze Wahrheit über VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Kerne) 10 GB DDR4 240 GB SSD 1 Gbit / s von $ 20 oder wie teilt man den Server? (Optionen sind mit RAID1 und RAID10, bis zu 24 Kernen und bis zu 40 GB DDR4 verfügbar).

Dell R730xd 2 mal günstiger? Nur wir haben 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2,6 GHz 14C 64 GB DDR4 4 x 960 GB SSD 1 Gbit / s 100 TV von 199 US-Dollar in den Niederlanden! Dell R420 - 2x E5-2430 2,2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbit / s 100 TB - ab 99 US-Dollar! Lesen Sie mehr über den Aufbau eines Infrastrukturgebäudes. Klasse mit Dell R730xd E5-2650 v4 Servern für 9.000 Euro für einen Cent?