Een doorbraak in druppelmanipulatie

Onderzoekers van de afdeling Werktuigbouwkunde van de Universiteit van Hong Kong (HKU) hebben een belangrijke doorbraak bereikt in het manipuleren van druppels. Ze hebben een innovatieve manier ontdekt om vloeistoffen op een oppervlak te navigeren zonder externe kracht of energie.

Druppel lijkt op een bal. In-plane druppelcontrole is vergelijkbaar met snooker waarbij de ballen worden gericht om langs de gewenste baan te bewegen, een functie die zeer wordt gewaardeerd voor thermisch beheer, ontzilting, zelflevering van materialen en tal van andere toepassingen.

Conventioneel fabriceren onderzoekers chemische bevochtigingsgradiënten of asymmetrische microtexturen om druppeltjes in beweging te brengen, vergelijkbaar met het ontwerpen van een transportband om de ballen te transporteren. RGC postdoctoraal onderzoeker Dr. TANG Xin, Postdoctoraal onderzoeker Dr. LI Wei en voorzitter hoogleraar Thermal-Fluid Sciences and Engineering WANG Liqiu van de HKU faculteit Werktuigbouwkunde ontdekten voor het eerst dat wanneer een koude/hete of vluchtige druppel wordt bevrijd op een gesmeerd piëzo-elektrisch kristal (lithiumniobaat) bij omgevingstemperatuur, stuwt de druppel onmiddellijk voort over een lange afstand (die ~ 50 keer de straal van de druppel kan zijn) in gevorkte routes. Afhankelijk van het kristalvlak dat grenst aan de druppel, kan de zelfaandrijving unidirectioneel, gevorkt en zelfs in drieën gedeeld zijn.

De ontdekking is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie in een artikel getiteld “Furcated Droplet Motility on Crystalline Surfaces”.

“Dit is een onvoorzien fenomeen met verstrekkende gevolgen. Druppels met een temperatuurverschil van 5 °C mild op een oppervlak kunnen zichzelf in stand houden. Stel je voor dat je een bal op een perfect waterpas en gladde tafel plaatst, in plaats van statisch te blijven, de bal rolt vanzelf. Nog verrassender is dat de bal alleen automatisch in bepaalde, bepaalde richtingen rolt”, zegt professor Wang Liqiu.

De onderzoekers hebben ontdekt dat de intrinsiek georiënteerde vloeistofbeweging wordt gevoed door een thermo-piëzo-elektrische koppeling op schaal die wordt veroorzaakt door de anisotropie van de kristalstructuur. Dit lijkt erop dat een gladde tafel atomair op een ongebruikelijke manier is gerangschikt, zodat een symmetrische warmtebron een asymmetrisch elektrisch veld kan produceren dat een bal in beweging drijft in een richting die wordt bepaald door de snijrichting van het tafeloppervlak.

“Het werk maakt een innovatieve manier mogelijk om vloeistoffen te leveren en te transporteren met beheersbaarheid, veelzijdigheid en prestaties, en biedt aanwijzingen voor het oplossen van een aantal langdurige uitdagingen zoals anti-ijsvorming, ontdooiing en anticondens in vochtige omgevingen”, aldus Dr. Tang Xin.

Als een druppel een onderkoeld substraat raakt, zoals dat van een vliegtuigvleugel en stroomkabel, bevriest het snel en hecht het zich aan het oppervlak. In dit geval kan de spontane elektrische kracht die door het kristal wordt gegenereerd, de kiemvormende druppel verstoren, waardoor de grensvlakadhesie mogelijk wordt verminderd en schadelijke ijsaanwas wordt vertraagd.

Zelfaandrijving zal ook de prestaties van druppelvormige condensatie verbeteren door groeiend condensaat van het oppervlak, de thermische barrière, te verwijderen en zo mogelijk een veelbelovende oplossing te bieden voor druppelmanipulatie in de ruimte waar zwaartekracht-ondersteunde druppelafscheiding afwezig is.

Bovendien kunnen de gevorkte routes selectief worden gekozen door externe verstoringen toe te voegen, zoals subtiele elektrische velden. Op deze manier kan het oppervlak fungeren als een twee- of drieweg vlakke klep om druppels af te geven die informatie, chemische of biologische ladingen bevatten.

“Het is duidelijk dat deze nieuwe benadering van vloeistofmanipulatie werkt voor een breed scala aan vloeistoffen en piëzo-elektrische kristallen, waardoor er mogelijkheden ontstaan ​​voor verder onderzoek en de ontwikkeling van nieuwe materialen en technologieën,” zei Dr. Li Wei.