Transport d'une gouttelette avec des particules traceuses sur une surface de mécano-mouillage du dispositif à ondes progressives. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw0914
Les applications modernes utilisent des stratégies d'autonettoyage et des microfluides numériques pour contrôler les gouttelettes individuelles de fluides sur des surfaces planes, mais les techniques existantes sont limitées par les effets secondaires des champs électriques élevés et des températures élevées. Dans une nouvelle étude, Edwin De Jong et ses collaborateurs des départements interdisciplinaires d'Advanced Materials, L'ingénierie mécanique et les systèmes moléculaires complexes ont développé une technique innovante de "mécano-mouillage" pour contrôler le mouvement des gouttelettes sur des surfaces changeantes en fonction de la tension superficielle interfaciale.
Pour démontrer la méthode, ils ont transporté des gouttelettes à l'aide d'ondes transversales sur des surfaces inclinées horizontalement et verticalement à des vitesses égales à la vitesse de l'onde. Les scientifiques ont capturé le mécanisme fondamental de la force de mécano-mouillage en théorie et quantitativement pour établir la dépendance du phénomène aux propriétés du fluide, l'énergie de surface et les paramètres des vagues. Jong et al. a démontré le "mécano-mouillage" en tant que technique pouvant conduire à une gamme de nouvelles applications mettant en vedette le contrôle des gouttelettes par le biais de déformations de surface. La recherche est maintenant publiée sur Avancées scientifiques .
Dans le travail, Jong et al. ont quantifié les forces d'épinglage dynamiques qui ont entraîné le mecanowetting en étudiant les gouttelettes grimpantes de diverses tailles sur différents angles d'inclinaison. Ils ont observé des forces étonnamment importantes et ont pu entraîner des gouttelettes même contre des murs verticaux à des vitesses substantielles. Les gouttelettes ont pu ramasser des particules contaminantes en cours de route pour démontrer leur potentiel dans les applications d'auto-nettoyage. Les scientifiques ont capturé numériquement et en théorie les mécanismes sous-jacents du transport des gouttelettes pour établir sa dépendance à de multiples paramètres physiques. Jong et al. attendez-vous à ce que la technique conduise une gamme de nouvelles applications basées sur la manipulation de ligne triphasée de l'angle de contact et en commutant les topographies de surface.
Transport de gouttelettes sur des topographies de surface d'ondes transversales. (A) Schéma du montage expérimental du dispositif à ondes transversales. Ici, A est l'amplitude de l'onde, est la longueur d'onde, θY est l'angle de contact, d est la taille typique des gouttelettes, patm est la pression atmosphérique, et p est la différence de pression créée par une pompe à vide pour transformer le film plat de PDMS en une structure de surface en forme d'onde avec une longueur d'onde qui est dictée par l'espacement des crêtes de la courroie. Les lignes de courant à l'intérieur de la gouttelette sont un schéma pour illustrer l'écoulement interne de la gouttelette dans le cadre du centre de masse suivant la gouttelette. (B à D) Gouttelette de glycérol contenant des particules traceuses transportées par le dispositif à ondes progressives. Ici, A =4 ± 1 µm, =500 µm, et Y =100 ± 2°. En figue. S1, les images du film sont superposées pour générer des lignes de chemin, démontrant le modèle d'écoulement interne semblable à un tapis roulant conforme à la figure 1A. (E à G) Simulations numériques de dynamique des fluides (CFD) de la gouttelette de glycérol sur une limite de surface se déformant transversalement pour les mêmes caractéristiques d'onde progressive (forme, amplitude des vagues, vitesse des vagues, et longueur d'onde), propriétés des gouttelettes, et l'angle de Young comme dans les expériences. Les petites flèches à l'intérieur de la gouttelette indiquent la vitesse locale du fluide dans le référentiel du centre de masse. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw0914
Les scientifiques ont construit un appareil pour générer des ondes de surface transversales régulières et contrôlables afin de démontrer expérimentalement le transport des gouttelettes. Dans son mécanisme d'action, ils ont abaissé la pression sous un film en polydiméthylsiloxane (PDMS) maintenu par un cadre métallique pour créer une architecture de surface en forme de vague afin de garantir des ondes purement transversales. En utilisant le montage expérimental, les scientifiques ont contrôlé des gouttelettes allant de 0,1 à 5 µL sur des ondes transversales représentant une longueur d'onde de 500 nm se déplaçant à une vitesse de 0,57 mm/s; égale à la vitesse de l'onde appliquée. Les scientifiques des matériaux ont effectué une combinaison de simulations de dynamique des fluides numérique (CFD), modélisation théorique et expériences à goutte unique pour analyser numériquement les gouttelettes individuelles.
Au cours des expériences de modélisation informatique, ils ont développé un cadre openFOAM pour créer une simulation qui s'accorde parfaitement avec les expériences. Pour comprendre l'efficacité du mécanisme de transport des gouttelettes, les scientifiques ont mené une série d'expériences et de simulations de gouttelettes grimpantes avec l'appareil incliné à un angle d'intérêt. Jong et al. a montré que lorsque la force motrice de la plus grosse gouttelette était plus grande que la force gravitationnelle, la goutte est montée vers le haut, alors qu'avec des gouttelettes plus petites, la force gravitationnelle plus grande a fait glisser les gouttelettes vers le bas.
Transport de gouttelettes sur des surfaces inclinées. (A) Angle critique crit en fonction de la taille des gouttelettes d normalisée par la longueur d'onde . Les marqueurs sont des résultats expérimentaux; les barres d'erreur représentent le SD d'au moins trois mesures. La ligne de tendance correspond aux résultats numériques. Le modèle numérique utilise les paramètres expérimentaux en entrée, c'est à dire., l'angle d'Young θY =68°, longueur d'onde =500 m, amplitude A =4,0 ± 1,0 µm, et la viscosité dynamique =1 mm2 s−1 du fluide (eau-isopropanol). La marge d'erreur dans l'amplitude est reflétée par la zone ombrée autour de la ligne de tendance principale (en orange). (B et C) Expérience à deux gouttelettes montrant des gouttelettes de taille d/λ =2,7 et 3,1 à un angle d'inclinaison =13° [correspondant aux emplacements marqués en (A) indiqués par les lignes pointillées]. Les flèches indiquent le mouvement des gouttelettes. (D) Résultats numériques illustrant le changement d'angle critique crit en fonction de la vitesse d'onde uwave et de l'amplitude d'onde A pour une goutte de taille d/λ =3,2 (λ =500 m). Le point de données marqué correspond à l'amplitude et la vitesse d'onde des expériences présentées en (A). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw0914
Au cours des expériences, les scientifiques ont identifié une "force de restauration" qui a entraîné le mouvement des gouttelettes et l'ont quantifié en modélisant la gouttelette comme une calotte sphérique. Ils ont montré la force d'épinglage dynamique qui équilibrait les forces opposées, qui comprenait l'épinglage statique, la gravité et les forces visqueuses pendant le transport des gouttelettes.
Ils ont obtenu les forces les plus élevées pouvant être générées dans la configuration pour des angles de contact proches de 65,5 degrés. En outre, les gouttelettes sur les ondes progressives pourraient surmonter des forces gravitationnelles considérables pour même grimper sur des surfaces verticales à une vitesse de 0,57 mm/s. Jong et al. a montré des gouttelettes de la taille d'un millimètre qui pouvaient être transportées à l'envers ; démontrer des phénomènes qui manquaient jusqu'alors de démonstration expérimentale.
Analyse numérique et théorique des gouttelettes grimpantes. La ligne du haut affiche des instantanés de simulation (vues en coupe et de dessus), et la rangée du bas montre les résultats théoriques de la théorie intégrale de la ligne triphasée d'une goutte de 0,15 l (d/λ =2,1) (A et B) et d'une goutte de 0,30 μl (d/λ =2,7) (C et D ) pour une amplitude d'onde A =5 µm. Les situations en (A) et (C) correspondent à une vitesse et une inclinaison d'onde nulles, uonde =0 mm s−1 et =0, et les situations en (B) et (D) correspondent à une vitesse d'onde uwave =0,57 mm s−1 (résultats CFD uniquement) et des angles d'inclinaison β ≈ βcrit ≈ 48° et 7°, respectivement. La hauteur des crêtes de surface (rangée du haut) est indiquée par une échelle de gris dans la vue de dessus et est exagérée dans la vue en coupe. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw0914
Au cours des expériences in vitro (en laboratoire), les scientifiques ont formé le dispositif à ondes progressives à l'aide d'une bande transporteuse construite à l'aide d'un usinage par décharge électrique avec contrôle de vitesse intégré monté dans une chambre à vide. Ils ont apposé le film PDMS réalisé par spin-coating sur un cadre en aluminium placé au-dessus de la partie exposée de cette ceinture. La basse pression créée dans l'appareil a permis au film PDMS d'être pressé contre la ceinture et les scientifiques ont contrôlé l'amplitude des ondes en contrôlant le niveau de pression à l'intérieur de la chambre.
Ils ont testé le mécanisme en utilisant plusieurs fluides dont de l'eau, l'isopropanol et l'huile minérale pour montrer que la méthode est robuste, processus cohérent et reproductible pour déplacer les gouttelettes dans tous les cas. Jong et al. vérifié cette efficacité en pulvérisant simultanément des gouttelettes de tailles variables sur l'onde progressive. La polyvalence observée du mécano-mouillage était remarquable par rapport aux méthodes précédentes avec des exigences particulières. Lorsqu'ils ont exploré les propriétés autonettoyantes de la surface de mouillage mécanique mobile construite, les chercheurs ont découvert la capacité des gouttelettes à nettoyer la surface de la contamination. La technique a permis un mouvement contrôlé des gouttelettes pour collecter les débris à des endroits désignés, contrairement aux précédents procédés d'autonettoyage basés sur des surfaces hydrophobes rigides et statiques.
Transport plafonnier de gouttelettes sur la surface de mécano-mouillage du dispositif à ondes progressives. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw0914
De cette façon, Jong et al. ont démontré expérimentalement le mouvement des gouttelettes grimpantes sur les surfaces de mouillage mécanique et ont souligné une déformation topographique requise au niveau de la ligne triphasée de surface pour influencer l'équilibre de la tension superficielle locale et obtenir le mouvement. La présente configuration est limitée en tant que dispositif expérimental de preuve de concept sur le mécanisme de mécano-mouillage. Les scientifiques visent à optimiser le système et à construire des dispositifs qui présenteront des topographies pouvant se déformer mécaniquement en réponse à des stimuli externes, notamment la lumière, champs magnétiques et température. Ils peuvent également contrôler la division et la fusion des gouttelettes en créant des surfaces avec deux ondes progressives qui se rapprochent ou s'éloignent l'une de l'autre.
Edwin Jong et ses collègues pensent que le mécano-mouillage peut être pleinement exploré pour ouvrir de nouvelles opportunités de manipulation de gouttelettes de haute précision dans une variété d'applications médicales et industrielles sur la base de la méthode détaillée dans l'étude. Les gouttelettes entraînées par mécano-mouillage trouveront des applications futures en microfluidique pour le diagnostic et la manipulation/analyse cellulaire et comme dispositifs d'autonettoyage en médecine, dans les capteurs marins, fenêtres et panneaux solaires, tout en trouvant également des applications dans la récolte de la rosée.
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