Grimpeurs liquides: manipuler des gouttes d'eau pour créer des laboratoires sur une puce et une technologie autonettoyante

«Une fois, il a commencé à pleuvoir et ne s'est pas arrêté pendant quatre mois. Pendant ce temps, nous avons appris toutes sortes de pluie: pluie directe, pluie inclinée, pluie horizontale, et même pluie qui vient de bas en haut »(Forrest Gump, 1994).

Bien sûr, nous nous souvenons que Forrest avait un regard spécial sur le monde autour de lui. Parlant de la pluie «de bas en haut», il voulait dire des gouttes de pluie rebondissant sur la surface du réservoir. Après tout, l'eau ne peut pas simplement remonter, non? D'abord, peut-être. Deuxièmement, vers le haut n'est pas la seule direction du mouvement de l'eau. Troisièmement, la direction peut être contrôlée. Les manipulations avec de minuscules gouttes d'eau vous permettront de créer des laboratoires sur puce et de conférer à tel ou tel matériau des propriétés autonettoyantes. Auparavant, ces déclarations n'étaient qu'une théorie, mais récemment elles ont été confirmées dans la pratique, dont nous parlerons aujourd'hui. Qu'est-ce qu'un laboratoire sur une puce, comment les choses peuvent-elles se nettoyer et comment les scientifiques ont-ils réussi à apprivoiser les gouttes d'eau? Les réponses à ces questions sont cachées dans le rapport des scientifiques. Allons-y.

Base d'étude

Nous entendons de plus en plus le mot «contrôle». Les scientifiques tentent de contrôler presque tout ce qui peut aider à obtenir les résultats positifs d'une étude particulière: contrôle des spins, contrôle des molécules, contrôle du cortex auditif du cerveau de la souris, etc. Dans le cas des technologies autonettoyantes et de la microfluidique numérique, le contrôle des gouttelettes des liquides qui y sont utilisées est requis.

À l'heure actuelle, il existe déjà un certain nombre de technologies pour manipuler les gouttes, mais elles présentent toutes des inconvénients assez graves: motifs d'électrodes complexes, température trop élevée (installation Leidenfrost * ), faible vitesse de déplacement moléculaire, besoin de substrats piézoélectriques, etc.

L'effet Leidenfrost * est un phénomène lorsque, au contact d'un liquide avec un corps très chaud (température supérieure au point d'ébullition d'un liquide), une couche de vapeur isolante se forme pour empêcher le liquide de bouillir rapidement.

Cependant, dans l'étude que nous examinons aujourd'hui, les scientifiques ont pu surmonter toutes les lacunes ci-dessus en appliquant une nouvelle méthode - le " mouillage mécanique ". Cette technique a permis de déplacer la goutte le long de surfaces horizontales et inclinées au moyen d'ondes de surface transversales. Dans ce cas, la vitesse des gouttelettes est égale à la vitesse des vagues. Plus de détails sur les résultats des observations ci-dessous.

Résultats de recherche

Pour démontrer la voie inhabituelle des gouttelettes, les scientifiques ont développé un dispositif qui génère des ondes de surface transversales conventionnelles et contrôlées ( 1a ).


Image n ° 1

La structure de surface ondulée, bien visible sur 1a, a été obtenue en réduisant la pression sous le film PDMS * d'une épaisseur de 50 µm. De ce fait, le film est pressé contre une courroie mobile avec des saillies transversales.

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

La longueur d'onde du film est déterminée par la distance entre les protubérances sur la ceinture, et l'amplitude des ondes (3 à 5 μm) est contrôlée par la pression du vide. Les scientifiques ont découvert que des gouttelettes individuelles d'un volume de 0,1 ... 5 μl (microlitre) aux ondes transversales d'une longueur d'onde de 500 μm se déplacent à une vitesse de 0,57 mm / s, ce qui est égal à la vitesse de l'onde utilisée.


Mouvement d'une gouttelette d'un volume de 1,3 μl (correspond aux images 1d - 1d ).

Ensuite, les scientifiques ont mené une modélisation CFD (dynamique des fluides numérique) en conjonction avec des expériences pratiques et des fondements théoriques afin de mieux comprendre la nature de la force motrice, la quantifier et, naturellement, mieux contrôler l'ensemble du système.

La description numérique d'une seule goutte a été effectuée à l'aide d'un modèle CFD avec des frontières se déformant verticalement (framework OpenFOAM).


Modèle CFD d'une gouttelette d'un volume de 1,4 μl (correspond aux images 1e - 1g ).

En comparant les première et deuxième vidéos, ainsi que des images de vraies gouttes et des images simulées, nous voyons que les résultats sont parfaitement adaptés. La modélisation confirme pleinement les observations pratiques.

Les scientifiques ont analysé les particules à l'intérieur de la gouttelette en comparant les observations avec la vitesse interne des gouttelettes dans le modèle CFD, à la suite de laquelle un mouvement de rotation a été détecté.


Image n ° 2

Ensuite, les scientifiques ont compliqué la tâche des gouttes en modifiant la pente de la surface ( 2a ) afin que la force gravitationnelle ne devienne pas plus que la force motrice des gouttes. Le graphique 2a montre les résultats d'une série d'expériences dans lesquelles chaque volume de goutte d'essai correspond à une valeur critique de l'angle d'inclinaison. Une certaine tendance est observée: la valeur de l'angle d'inclinaison critique diminue avec l'augmentation du volume des gouttelettes. Cela s'explique assez simplement: la force de gravité augmente beaucoup plus vite que la force motrice d'une goutte, qui agit par l'intermédiaire d'une ligne de contact triphasée (liquide - liquide - air).

Il a également été constaté que la valeur de l'angle critique ne diminue pas linéairement (uniformément), mais plutôt une forte baisse, visible sur le graphique 2a .


Deux gouttes de volume différent sur une surface avec un angle d'inclinaison de 13 ° (correspond aux images 2b et 2c ).

Puisque la force motrice de la plus grande goutte (3.1) est supérieure à celle de la gravité, la goutte monte. Et la force motrice de la plus petite goutte (2,7) est inférieure à celle de la gravité, donc la goutte descend.

Il convient de noter que les données d'entrée pour le modèle correspondaient aux paramètres de la configuration réelle et aux gouttelettes utilisées dans les expériences pratiques.

Ensuite, les scientifiques ont vérifié comment la vitesse et l'amplitude affectent la valeur de l'angle d'inclinaison critique. Comme le montre le diagramme en 2D , l'angle critique diminue avec l'augmentation de la vitesse des vagues. Il a également été constaté qu'à une vitesse d'onde suffisamment élevée et à une gamme d'amplitude inférieure, la force motrice devient insuffisante pour le transfert de gouttelettes. Cela est dû à l'augmentation de la résistance visqueuse associée à une augmentation de la dissipation visqueuse à l'intérieur de la gouttelette.

La corrélation entre la dissipation et la vitesse des gouttelettes est due au fait qu'une augmentation du taux de transfert des gouttelettes entraîne nécessairement une augmentation du débit à l'intérieur de la gouttelette en raison de la nature du mouvement des gouttelettes (en rotation). De plus, une augmentation de l'amplitude des ondes entraîne une augmentation linéaire de l'angle critique.

L'étape suivante de l'étude a été de clarifier les raisons de la nature oscillatoire de l'angle d'inclinaison critique et de son lien possible avec la forme des gouttelettes et des lignes de contact pendant leur mouvement.


Image n ° 3

Les scientifiques ont décidé d'envisager deux options pour les chutes: 2.1, pour laquelle l'angle critique atteint un maximum (rangée supérieure à 3a et 3b ), et 2.7, pour laquelle l'angle critique atteint un minimum (rangée supérieure à 3d et 3c ).

Sous un angle nul, les gouttelettes ( 3a et 3c ) ont une forme symétrique. Lorsque l'onde commence à se déplacer, l'appareil s'incline, ce qui entraîne une distorsion de la position de la goutte par rapport aux crêtes. De ce fait, la forme des gouttelettes devient asymétrique ( 3b et 3d ).

La modification de la forme de la gouttelette déséquilibre le système et active la force élastique * , qui contrôle le mouvement de la gouttelette.

Force élastique * - lors de la déformation du corps, une force élastique apparaît, qui a tendance à revenir à sa forme précédente (c'est-à-dire à son état d'origine).

La détermination quantitative de la force élastique a été effectuée au moyen d'une modélisation théorique basée sur un changement instantané de l'angle de contact local lors de la distorsion de la forme des gouttelettes. Dans le milieu modèle, les gouttelettes étaient décrites comme des particules sphériques et l'amplitude de la distorsion de la forme des gouttelettes lorsque le centre de masse de la même gouttelette était déplacé par rapport à l'état initial (équilibre) était fixe. Compte tenu de cela, les scientifiques ont calculé la force par unité de longueur (tension) résultant du déséquilibre des forces de tension de surface (flèches bleues dans l'image n ° 3) sur la ligne de contact.

La force totale a été obtenue en intégrant les contraintes le long de la ligne triphasée, résultant en une force nette (flèche rouge sur l'image n ° 3).

Le modèle théorique a confirmé qu'à l'état initial (équilibre), les tensions des raies triphasées sont symétriques. Et lors de la distorsion de la forme de la goutte, leur asymétrie apparaît. Dans ce cas, une force pure (fixation dynamique) est générée, qui équilibre les forces opposées (fixation statique, gravité et forces visqueuses). En conséquence, il a été constaté que les forces les plus élevées peuvent être générées à un angle de contact d'environ 65,5 °.

Le résultat intermédiaire est que les gouttes peuvent facilement surmonter les surfaces inclinées, s'élevant à une vitesse de 0,57 mm / s, tout en surmontant les forces gravitationnelles ( 4a ).


Image n ° 4


Mouvement vertical d'une goutte.


Le mouvement d'une goutte au plafond (correspond à l'image 4b ).

Dans le dispositif «d'humidification mécanique» démontré, la force maximale générée était de 2 μN (micronewton). La distance qu'une goutte peut parcourir (dans n'importe quelle position) n'est limitée que par les dimensions du dispositif expérimental lui-même. Une augmentation de la surface de travail augmentera la distance parcourue par la goutte à la même vitesse.

Cependant, beaucoup d'entre vous demanderont - quelles gouttes devrait-il y avoir pour que cette beauté fonctionne? Les chercheurs ont également posé cette question et testé leur méthodologie sur différents liquides (eau, alcool isopropylique et huile minérale). Des tests pratiques ont montré qu'il n'y a pas beaucoup de différence entre les trois options, et toutes sont excellentes pour la mise en œuvre de la méthodologie à l'étude.


Démonstration du mouvement simultané de plusieurs gouttes de volume différent et, par conséquent, de taille (correspondant à l'image 4c ).

Les chercheurs notent que la présence d'un angle critique en tant qu'aspect important de cette technique vous permet de trier les gouttes. En inclinant la configuration à un certain angle, vous pouvez voir que les gouttes avec un angle critique en dessous de la valeur seuil ne peuvent pas se déplacer le long de l'onde, tandis que les gouttes qui montrent de grands angles critiques maximaux seront transportées. Par conséquent, seules les gouttes d'une certaine taille se déplaceront avec la vague et le reste glissera de la surface inclinée. Lorsque deux gouttes se combinent, ce processus de tri est répété et la goutte sera triée en fonction de sa nouvelle taille.

Et les surfaces autonettoyantes? C'est une propriété assez utile, n'est-ce pas? Ainsi, les chercheurs ont effectué des observations des gouttelettes se déplaçant autour de l'installation. Ils ont déterminé que ces gouttes sont capables de nettoyer la surface des contaminants.

Ensuite, les scientifiques ont créé un modèle de la surface contaminée en appliquant une grande quantité de carbonate de calcium (CaCO ₃ avec une taille de particule <50 μm) à la surface du film PDMS (couvre le dispositif).

En allumant le dispositif à ondes progressives, les particules de CaCO ₃ n'ont disparu nulle part, mais ont conservé leur position à la surface, ce qui est associé à la nature transversale de l'onde. Ensuite, des gouttes d'eau et d'alcool isopropylique ont été appliquées sur la surface contaminée. Les gouttes se déplacent le long de la surface, la nettoyant ainsi de la contamination.


Nettoyage des surfaces contaminées avec des gouttes «coulantes» (correspond à l'image 4d ).

Cependant, ce processus a un effet négatif. La présence de particules de CaCO3 sur la surface de travail a entraîné une augmentation de la résistance et une diminution de la vitesse effective des gouttelettes à 20% de la vitesse des vagues. Mais cela n'a pas empêché les gouttes de nettoyer la surface le long de leur parcours.

Les scientifiques comprennent également parfaitement le moment provocateur de l'étroitesse de l'utilisation des gouttes de voyageur exclusivement dans le cadre d'une configuration expérimentale. À l'avenir, ils prévoient d'utiliser des topographies de surfaces sensibles, caractérisées par une déformation mécanique en réponse à des stimuli externes, tels que la lumière, les champs magnétiques et la température.

Les polymères et élastomères à cristaux liquides photosensibles présentent un intérêt particulier pour les chercheurs. Et tout cela en raison de leur contrôle spatio-temporel précis, qui permet un mouvement ondulatoire à la surface à l'aide de sources lumineuses structurées ou mobiles ou avec un éclairage constant par auto-ombrage.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue

Tout d'abord, je voudrais noter que les expériences menées à l'aide de la configuration de test développée par les scientifiques ne sont pas encore un produit fini ou une technologie. Cette configuration a été utilisée pour démontrer la technique des gouttelettes dynamiques étudiée et la fonction d'auto-nettoyage.

À l'avenir, les scientifiques prévoient d'utiliser d'autres technologies, en particulier les polymères à cristaux liquides et les élastomères, dont nous avons parlé plus tôt. Ce travail n'est que la confirmation que la technique de mécano-hydratation a tout à fait le droit d'exister, car elle présente des avantages par rapport à d'autres technologies dont les objectifs sont similaires à cette technique.

L'un des principaux domaines où ce miracle de la pensée scientifique peut être appliqué est la microfluidique, c'est-à-dire le diagnostic des liquides à l'aide de petits appareils. Et la fonction autonettoyante trouve son application dans la création de dispositifs médicaux autonettoyants, de capteurs marins, de fenêtres, de panneaux solaires et même dans la mise en œuvre de technologies de collecte de rosée.

Quel que soit l'avenir de cette technologie, le fait même de son développement témoigne du caractère exceptionnel de l'intelligence humaine. Notre cerveau est capable de générer les idées les plus extraordinaires et transcendantes qui sont parfois difficiles à mettre en œuvre, mais le résultat de cette mise en œuvre confirme que rien n'est impossible pour nous.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars! :)

Merci de rester avec nous. Aimez-vous nos articles? Vous voulez voir des matériaux plus intéressants? Soutenez-nous en passant une commande ou en le recommandant à vos amis, une réduction de 30% pour les utilisateurs Habr sur un analogue unique de serveurs d'entrée de gamme que nous avons inventés pour vous: Toute la vérité sur VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 cœurs) 10 Go DDR4 240 Go SSD 1 Gbps à partir de 20 $ ou comment diviser le serveur? (les options sont disponibles avec RAID1 et RAID10, jusqu'à 24 cœurs et jusqu'à 40 Go de DDR4).

Dell R730xd 2 fois moins cher? Nous avons seulement 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV à partir de 199 $ aux Pays-Bas! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - à partir de 99 $! Pour en savoir plus sur la création d'un bâtiment d'infrastructure. classe utilisant des serveurs Dell R730xd E5-2650 v4 coûtant 9 000 euros pour un sou?