तरल पर्वतारोही: चिप और स्व-सफाई तकनीक पर प्रयोगशाला बनाने के लिए पानी की बूंदों में हेरफेर

“एक बार बारिश होने लगी और चार महीने तक नहीं रुकी। इस समय के दौरान, हमने सभी प्रकार की बारिश सीखी: प्रत्यक्ष बारिश, तिरछी बारिश, क्षैतिज वर्षा और यहां तक ​​कि बारिश जो नीचे से ऊपर तक जाती है ”(फॉरेस्ट गम्प, 1994)।

बेशक, हमें याद है कि फॉरेस्ट की अपने आसपास की दुनिया पर खास नजर थी। बारिश की बात करते हुए "नीचे से ऊपर," उसका मतलब था कि जलाशय की सतह से उछलते हुए बारिश की बूंदें। आखिरकार, पानी अभी ऊपर नहीं जा सकता है, है ना? पहला, शायद। दूसरे, ऊपर की ओर केवल पानी की आवाजाही की दिशा नहीं है। तीसरा, दिशा को नियंत्रित किया जा सकता है। पानी की छोटी बूंदों के साथ छेड़छाड़ आपको एक चिप पर प्रयोगशालाएं बनाने और इन या उन सामग्रियों को स्वयं-सफाई गुण देने की अनुमति देगा। पहले, ये कथन केवल एक सिद्धांत थे, लेकिन हाल ही में इनकी पुष्टि की गई है, जिसके बारे में हम आज बात करेंगे। एक चिप पर एक प्रयोगशाला क्या है, कैसे चीजें खुद को साफ कर सकती हैं, और वैज्ञानिकों ने पानी की बूंदों को कैसे प्रबंधित किया? वैज्ञानिकों की रिपोर्ट में इन सवालों के जवाब छिपे हैं। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

हम तेजी से "नियंत्रण" शब्द सुनते हैं। वैज्ञानिक लगभग सभी चीजों को नियंत्रित करने की कोशिश कर रहे हैं जो किसी विशेष अध्ययन के सफल परिणाम प्राप्त करने में मदद कर सकते हैं: मोच का नियंत्रण, अणुओं का नियंत्रण, माउस मस्तिष्क के श्रवण प्रांतस्था का नियंत्रण, आदि। स्व-सफाई प्रौद्योगिकियों और डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स के मामले में, उनमें प्रयुक्त तरल पदार्थों की बूंदों के नियंत्रण की आवश्यकता होती है।

फिलहाल, ड्राप्स में हेरफेर के लिए पहले से ही कई प्रौद्योगिकियां हैं, हालांकि, उनमें से सभी में काफी गंभीर कमियां हैं: जटिल इलेक्ट्रोड पैटर्न, बहुत अधिक तापमान ( लीडेनफ्रॉस्ट इंस्टॉलेशन * ), कम आणविक विस्थापन वेग, पीजोइलेक्ट्रिक सबस्ट्रेट्स की आवश्यकता, आदि।

लेडेनफ्रॉस्ट * प्रभाव एक घटना है, जब बहुत गर्म शरीर (एक तरल के क्वथनांक के ऊपर का तापमान) के साथ तरल के संपर्क पर, तरल को जल्दी से उबलने से रोकने के लिए एक इन्सुलेट वाष्प परत बनाई जाती है।

हालाँकि, आज हम जिस अध्ययन की जाँच कर रहे हैं, उसमें वैज्ञानिक एक नई पद्धति - " मैकेवोनेटिंग " को लागू करके उपरोक्त सभी कमियों को दूर करने में सक्षम थे। इस तकनीक ने अनुप्रस्थ सतह तरंगों के माध्यम से क्षैतिज और इच्छुक सतहों के साथ ड्रॉप को स्थानांतरित करने की अनुमति दी। इस मामले में, बूंद का वेग तरंग वेग के बराबर है। नीचे दिए गए टिप्पणियों के परिणामों के बारे में अधिक जानकारी।

अनुसंधान के परिणाम

असामान्य छोटी बूंद के मार्ग को प्रदर्शित करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक उपकरण विकसित किया है जो पारंपरिक और नियंत्रित अनुप्रस्थ सतह तरंगों ( 1 ए ) को उत्पन्न करता है।


चित्र संख्या 1

लहर जैसी सतह संरचना, जो 1 ए पर स्पष्ट रूप से दिखाई देती है, को 50 माइक्रोन की मोटाई के साथ पीडीएमएस * फिल्म के तहत दबाव को कम करके प्राप्त किया गया था। इस वजह से, फिल्म को अनुप्रस्थ प्रोट्रूशंस के साथ एक चलती बेल्ट के खिलाफ दबाया जाता है।

PDMS * - पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन, (C ₂ H ₆ OSi) _n ।

फिल्म की तरंग दैर्ध्य बेल्ट पर प्रोट्रूशियंस के बीच की दूरी से निर्धारित होती है, और तरंग आयाम (3 से 5 माइक्रोन) को वैक्यूम दबाव द्वारा नियंत्रित किया जाता है। वैज्ञानिकों ने पाया है कि अनुप्रस्थ तरंगों पर ०.१ ... ५ volume एल (माइक्रोलिटर) की व्यक्तिगत तरंगें ५०० mm मिमी / एस की गति से ५०० माइक्रोन की तरंग दैर्ध्य के साथ अनुप्रस्थ तरंगों पर होती हैं, जो प्रयुक्त तरंग की गति के बराबर होती है।


1.3 μl की मात्रा के साथ एक छोटी बूंद का आंदोलन (छवियों 1 डी - 1 डी से मेल खाती है)।

इसके बाद, वैज्ञानिकों ने ड्राइविंग बल की प्रकृति को बेहतर ढंग से समझने के लिए और इसे स्वाभाविक रूप से, पूरे सिस्टम को बेहतर ढंग से नियंत्रित करने के लिए व्यावहारिक प्रयोगों और सैद्धांतिक नींव के साथ संयोजन में CFD मॉडलिंग (कम्प्यूटेशनल तरल गतिकी) का संचालन किया।

एकल ड्रॉप का संख्यात्मक विवरण लंबवत विकृत सीमाओं (ओपनफ़ैम फ्रेमवर्क) के साथ सीएफडी मॉडल का उपयोग करके किया गया था।


1.4 μl की मात्रा के साथ एक छोटी बूंद का CFD मॉडल (छवियों 1e - 1g से मेल खाती है)।

पहले और दूसरे वीडियो की तुलना, साथ ही साथ वास्तविक बूंदों और नकली छवियों की तस्वीरें, हम देखते हैं कि परिणाम पूरी तरह से मेल खाते हैं। मॉडलिंग पूरी तरह से व्यावहारिक टिप्पणियों की पुष्टि करता है।

वैज्ञानिकों ने सीएफडी मॉडल में आंतरिक छोटी बूंद के वेग के साथ टिप्पणियों की तुलना करके बूंद के अंदर के कणों का विश्लेषण किया, जिसके परिणामस्वरूप घूर्णी गति का पता चला।


चित्र संख्या 2

इसके बाद, वैज्ञानिकों ने सतह ( 2a ) की ढलान को बदलकर बूंदों के लिए कार्य को जटिल कर दिया ताकि गुरुत्वाकर्षण बल बूंदों के प्रेरक बल से अधिक न हो जाए। ग्राफ़ 2 ए प्रयोगों की एक श्रृंखला के परिणामों को दर्शाता है जिसमें प्रत्येक परीक्षण ड्रॉप मात्रा झुकाव के कोण के महत्वपूर्ण मूल्य से मेल खाती है। एक निश्चित प्रवृत्ति देखी जा रही है: बढ़ती बूंद के साथ झुकाव के महत्वपूर्ण कोण का मूल्य घटता है। यह काफी सरल रूप से समझाया गया है: गुरुत्वाकर्षण का बल एक बूंद के ड्राइविंग बल की तुलना में बहुत तेजी से बढ़ता है, जो तीन-चरण संपर्क लाइन (तरल - तरल - वायु) के माध्यम से कार्य करता है।

यह भी पाया गया कि आलोचनात्मक कोण का मान रैखिक (समान रूप से) में नहीं घटता है, इसके बजाय, एक तेज गिरावट है, जो ग्राफ 2 ए पर दिखाई देता है।


13 ° के झुकाव कोण के साथ एक सतह पर अलग-अलग मात्रा की दो बूंदें (छवियों 2 बी और 2 सी से मेल खाती हैं)।

चूंकि बड़ी ड्रॉप (3.1) की ड्राइविंग बल गुरुत्वाकर्षण से अधिक है, इसलिए ड्रॉप ऊपर जाता है। और छोटी बूंद (2.7) की ड्राइविंग बल गुरुत्वाकर्षण से कम है, इसलिए ड्रॉप नीचे गिरता है।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि मॉडल के लिए इनपुट डेटा वास्तविक सेटअप के मापदंडों और व्यावहारिक प्रयोगों में उपयोग की जाने वाली बूंदों के अनुरूप है।

इसके बाद, वैज्ञानिकों ने जांच की कि झुकाव के महत्वपूर्ण कोण के मूल्य को गति और आयाम कैसे प्रभावित करते हैं। जैसा कि 2d पर आरेख से देखा जा सकता है, बढ़ते कोण वेग के साथ महत्वपूर्ण कोण घट जाता है। यह भी पाया गया कि पर्याप्त रूप से उच्च लहर की गति और कम आयाम सीमा पर, ड्राइविंग बल छोटी बूंद के हस्तांतरण के लिए अपर्याप्त हो जाता है। यह छोटी बूंद के अंदर चिपचिपा अपव्यय में वृद्धि के साथ जुड़े चिपचिपा प्रतिरोध के कारण होता है।

अपव्यय और छोटी बूंद के वेग के बीच संबंध इस तथ्य के कारण है कि छोटी बूंद की दर में वृद्धि जरूरी बूंद गति (घूर्णी) की प्रकृति के कारण छोटी बूंद के अंदर प्रवाह दर में वृद्धि की ओर जाता है। इसके अलावा, तरंग आयाम में वृद्धि से महत्वपूर्ण कोण में एक रैखिक वृद्धि होती है।

अध्ययन में अगला कदम झुकाव के महत्वपूर्ण कोण के थरथरानवाला प्रकृति के कारणों और इसके आंदोलन के दौरान बूंदों के आकार और संपर्क लाइनों के साथ इसके संभावित संबंध को स्पष्ट करना था।


चित्र संख्या 3

वैज्ञानिकों ने बूंदों के लिए दो विकल्पों पर विचार करने का निर्णय लिया: 2.1, जिसके लिए महत्वपूर्ण कोण अधिकतम ( 3 ए और 3 बी पर ऊपरी पंक्ति), और 2.7 तक पहुंचता है, जिसके लिए महत्वपूर्ण कोण न्यूनतम ( 3 डी और 3 सी पर ऊपरी पंक्ति) तक पहुंचता है।

एक शून्य कोण पर, बूंदों ( 3 ए और 3 सी ) का एक सममित आकार होता है। जब लहर चलना शुरू होती है, तो डिवाइस झुक जाता है, जिससे लकीरें के सापेक्ष ड्रॉप की स्थिति का विरूपण होता है। इस वजह से, छोटी बूंद का आकार असममित ( 3 बी और 3 डी ) हो जाता है।

छोटी बूंद के आकार को बदलने से सिस्टम संतुलन से बाहर हो जाता है और लोचदार बल * को सक्रिय करता है , जो छोटी बूंद की गति को नियंत्रित करता है।

लोचदार बल * - शरीर के विकृति के दौरान, एक लोचदार बल उत्पन्न होता है, जो अपने पिछले आकार (यानी, अपनी मूल स्थिति) में वापस आ जाता है।

लोचदार बल के मात्रात्मक निर्धारण को सैद्धांतिक मॉडलिंग के माध्यम से छोटी बूंद के विरूपण पर स्थानीय संपर्क कोण में तात्कालिक परिवर्तन के आधार पर किया गया था। मॉडल माध्यम में, बूंदों को गोलाकार कणों के रूप में वर्णित किया गया था, और छोटी बूंद के विरूपण की भयावहता जब एक ही बूंद के द्रव्यमान के केंद्र को प्रारंभिक (संतुलन) राज्य के सापेक्ष स्थानांतरित किया गया था। इसे देखते हुए, वैज्ञानिकों ने संपर्क लाइन पर सतह तनाव बलों (छवि संख्या 3 में नीले तीर) के असंतुलन के कारण उत्पन्न होने वाली प्रति यूनिट लंबाई (तनाव) की गणना की।

कुल बल तीन-चरण रेखा के साथ तनावों को एकीकृत करके प्राप्त किया गया था, जिसके परिणामस्वरूप शुद्ध बल (छवि संख्या 3 में लाल तीर) है।

सैद्धांतिक मॉडल ने पुष्टि की कि प्रारंभिक (संतुलन) राज्य में, तीन-चरण लाइनों के तनाव सममित हैं। और बूंद के आकार के विरूपण के दौरान, उनकी विषमता उत्पन्न होती है। इस मामले में, शुद्ध बल (गतिशील बन्धन) उत्पन्न होता है, जो विरोधी ताकतों (स्थिर बन्धन, गुरुत्वाकर्षण और चिपचिपाहट बलों) को संतुलित करता है। नतीजतन, यह पाया गया कि उच्चतम बलों को लगभग 65.5 ° के संपर्क कोण पर उत्पन्न किया जा सकता है।

मध्यवर्ती परिणाम यह है कि गुरुत्वाकर्षण बलों ( 4 ए ) पर काबू पाने के दौरान, 0.57 मिमी / एस की गति से बढ़ती हुई बूंदें आसानी से झुकी हुई सतहों को पार कर सकती हैं।


चित्र संख्या 4


एक बूंद की लंबवत गति।


छत पर एक बूंद की गति (छवि 4 बी से मेल खाती है)।

प्रदर्शित "मैकेनिकल-आर्द्रीकरण" डिवाइस में, अधिकतम उत्पन्न बल 2 μN (माइक्रोन्यूटन) था। वह दूरी जो एक ड्रॉप को कवर कर सकती है (किसी भी स्थिति में) केवल प्रयोगात्मक डिवाइस के आयामों तक सीमित है। काम की सतह में वृद्धि से उसी गति से ड्रॉप द्वारा तय की गई दूरी बढ़ जाएगी।

हालांकि, आप में से कई पूछेंगे - इस सुंदरता के काम करने के लिए क्या बूंदें होनी चाहिए? शोधकर्ताओं ने यह सवाल भी पूछा और विभिन्न तरल पदार्थों (पानी, आइसोप्रोपिल अल्कोहल और खनिज तेल) पर उनकी कार्यप्रणाली का परीक्षण किया। व्यावहारिक परीक्षणों से पता चला है कि तीन विकल्पों में बहुत अंतर नहीं है, और ये सभी अध्ययन के तहत कार्यप्रणाली को लागू करने के लिए उत्कृष्ट हैं।


अलग-अलग मात्रा के कई बूंदों के एक साथ आंदोलन का प्रदर्शन और, तदनुसार, आकार (छवि 4 सी के अनुरूप)।

शोधकर्ताओं ने ध्यान दिया कि इस तकनीक के एक महत्वपूर्ण पहलू के रूप में एक महत्वपूर्ण कोण की उपस्थिति आपको बूंदों को सॉर्ट करने की अनुमति देती है। एक निश्चित कोण पर सेटअप को झुकाने से, आप देख सकते हैं कि थ्रेसहोल्ड मान के नीचे एक महत्वपूर्ण कोण के साथ बूंदें लहर के साथ नहीं जा सकती हैं, जबकि ड्रॉप जो बड़े अधिकतम महत्वपूर्ण कोण दिखाती हैं उन्हें ले जाया जाएगा। इसलिए, एक निश्चित आकार की केवल बूंदें लहर के साथ-साथ चलेंगी, और बाकी झुकाव वाली सतह से अलग हो जाएगी। जब दो बूंदों का संयोजन होता है, तो इस छंटनी की प्रक्रिया को दोहराया जाता है, और ड्रॉप को उसके नए आकार के आधार पर क्रमबद्ध किया जाएगा।

और स्व-सफाई सतहों के बारे में क्या? यह एक बहुत उपयोगी संपत्ति है, है ना? इसलिए, शोधकर्ताओं ने स्थापना के आसपास चलने वाली बूंदों का अवलोकन किया। उन्होंने निर्धारित किया कि ये बूंदें दूषित पदार्थों की सतह को साफ करने में सक्षम हैं।

इसके बाद, वैज्ञानिकों ने बड़ी मात्रा में कैल्शियम कार्बोनेट (एक कण आकार के साथ सीएसीओ ₃ <50 सुक्ष्ममापी) को PDMS फिल्म की सतह (डिवाइस को शामिल किया गया) को लागू करके दूषित सतह का एक मॉडल बनाया।

यात्रा तरंग उपकरण को चालू करते हुए, CaCO ₃ कण कहीं भी गायब नहीं हुए, लेकिन सतह पर उनकी स्थिति बरकरार रही, जो लहर की अनुप्रस्थ प्रकृति से जुड़ी है। फिर, पानी और आइसोप्रोपिल अल्कोहल की बूंदों को दूषित सतह पर लागू किया गया था। बूँदें सतह के साथ चलती हैं, जिससे संदूषण से सफाई होती है।


"रनिंग" ड्रॉप्स (छवि 4 डी से मेल खाती है) के साथ दूषित सतहों को साफ करना।

हालांकि, इस प्रक्रिया में नकारात्मक प्रभाव पड़ता है। कार्यशील सतह पर CaCO3 कणों की उपस्थिति ने प्रतिरोध में वृद्धि और लहर के वेग के 20% तक प्रभावी छोटी बूंद में कमी का नेतृत्व किया। लेकिन यह उनके मार्ग के साथ सतह को साफ करने से बूंदों को रोक नहीं पाया।

वैज्ञानिक भी प्रयोगात्मक सेटअप के ढांचे के भीतर विशेष रूप से यात्री बूंदों के उपयोग की संकीर्णता के उत्तेजक क्षण को पूरी तरह से समझते हैं। भविष्य में, वे संवेदनशील सतह स्थलाकृतियों का उपयोग करने की योजना बनाते हैं, जो कि बाहरी उत्तेजनाओं, जैसे प्रकाश, चुंबकीय क्षेत्र और तापमान के जवाब में यांत्रिक विकृति की विशेषता होती है।

शोधकर्ता लिक्विड क्रिस्टल पॉलिमर और इलास्टोमर्स शोधकर्ताओं के लिए विशेष रुचि रखते हैं। और सभी अपने सटीक अनुपात-लौकिक नियंत्रण के कारण, जो कि संरचित या गतिशील प्रकाश स्रोतों की मदद से या आत्म-छायांकन द्वारा निरंतर रोशनी के साथ सतह पर लहर जैसी गति की अनुमति देता है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों पर ध्यान दें।

उपसंहार

सबसे पहले, मैं यह नोट करना चाहूंगा कि वैज्ञानिकों द्वारा विकसित परीक्षण सेटअप का उपयोग करके किए गए प्रयोग अभी तक एक तैयार उत्पाद या तकनीक नहीं हैं। इस सेटअप का उपयोग अध्ययन किए गए गतिशील छोटी बूंद तकनीक और स्वयं-सफाई फ़ंक्शन का प्रदर्शन करने के लिए किया गया था।

भविष्य में, वैज्ञानिक अन्य तकनीकों का उपयोग करने की योजना बनाते हैं, विशेष रूप से लिक्विड क्रिस्टल पॉलिमर और इलास्टोमर्स में, जिनके बारे में हमने पहले बात की थी। यह काम केवल इस बात की पुष्टि करता है कि मेकेनो-हाइड्रेशन की तकनीक को अस्तित्व का हर अधिकार है, क्योंकि इसके पास अन्य तकनीकों पर लाभ हैं जिनके लक्ष्य इस तकनीक के समान हैं।

मुख्य क्षेत्रों में से एक जहां वैज्ञानिक सोच के इस चमत्कार को लागू किया जा सकता है, वह है माइक्रोफ्लुइडिक्स, यानी छोटे आकार के उपकरणों का उपयोग करके तरल पदार्थों का निदान। और स्वयं-सफाई फ़ंक्शन स्वयं-सफाई चिकित्सा उपकरणों, समुद्री सेंसर, खिड़कियां, सौर पैनल के निर्माण और यहां तक ​​कि ओस एकत्र करने के लिए प्रौद्योगिकियों के कार्यान्वयन में अपना आवेदन पा सकता है।

जो भी भविष्य में इस तकनीक का इंतजार कर रहा है, उसके विकास का बहुत तथ्य मानव बुद्धि की असाधारण प्रकृति की बात करता है। हमारा मस्तिष्क सबसे असाधारण, पारगमन विचारों को उत्पन्न करने में सक्षम है जो कभी-कभी लागू करना मुश्किल होता है, लेकिन इस कार्यान्वयन का परिणाम यह पुष्टि करता है कि हमारे लिए कुछ भी असंभव नहीं है।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और एक अच्छा काम करने का सप्ताह, दोस्तों! :)

हमारे साथ बने रहने के लिए धन्यवाद। क्या आप हमारे लेख पसंद करते हैं? अधिक दिलचस्प सामग्री देखना चाहते हैं? एक आदेश देकर या अपने मित्रों को इसकी अनुशंसा करके हमें समर्थन दें, एंट्री-लेवल सर्वरों के अनूठे एनालॉग पर हैबर उपयोगकर्ताओं के लिए 30% छूट जो हमने आपके लिए ईजाद की है: VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 करोड़) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps से पूरा सच $ 20 या सर्वर को कैसे विभाजित करें? (विकल्प RAID1 और RAID10 के साथ उपलब्ध हैं, 24 कोर तक और 40GB DDR4 तक)।

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