Nieuwe techniek werkt als versneller, rem voor microscopisch kleine druppeltjes

Een minuscuul waterdruppeltje is in beweging en neemt snelheid op terwijl het over een stuk dun, vlak terrein glijdt. Abrupt raakt het een ruw punt – het microscopisch kleine equivalent van glazen verkeersdrempels waarin de druppel bezinkt en stopt met doodgaan.

De druppel lijkt geparkeerd, op zijn plaats verankerd. Maar in tegenstelling tot hun macro-tegenhangers, worden deze mini-verkeersdrempels gemakkelijk afgevlakt. Stephen Morin zou het weten; hij hield toezicht op hun constructie. Dus de chemicus van de Universiteit van Nebraska-Lincoln gaat verder met het uitrekken van het elastische materiaal waarop ze zitten, waardoor de weg glad wordt, en de druppel gaat weer weg, die over het perfect horizontale oppervlak schiet.

De stop-and-go-prestatie is slechts een van de vele die de Morin Group heeft onthuld via zijn nieuwste huwelijk van chemie en elastische polymeren. De vruchten van dat huwelijk? Ongekende controle over het transport van microscopisch kleine druppeltjes, wat mogelijk nieuwe benaderingen oplevert voor zelfreinigende materialen, technieken voor het oogsten van water en andere, meer geavanceerde technologieën.

Centraal in de benadering van het team staat het concept van bevochtigbaarheid – of een druppel nu parelt of zich verspreidt over een oppervlak, waarbij dat oppervlak wordt onthuld als respectievelijk hydrofoob of hydrofiel. Geïnspireerd door baanbrekend onderzoek uit het begin van de jaren negentig, begonnen Morin en zijn laboratorium met het creëren van bevochtigingsgradiënten: oppervlakken bedekt met kleine chemische “hellingen” die ze aan de ene kant hydrofoob maken, maar aan de andere kant hydrofiel.

“Het blijkt dat als je een dergelijk chemisch patroon hebt, wanneer je een druppel aan het hydrofobe uiteinde plaatst, deze bevochtigingsgradiënt de druppel spontaan naar de hydrofiele kant zal drijven”, zegt Morin, universitair hoofddocent scheikunde in Nebraska.

Hoewel het een interessant fenomeen op zich was, wilden Morin en promovendus Ali Mazaltarim kijken of ze dat passieve transport konden omzetten in een actief, dynamisch proces dat zich beter leende voor sollicitaties. Ze wendden zich tot de soorten elastische materialen die het team van Morin sinds 2015 met chemische patronen bekleedt, of het nu gaat om oppervlakken die alleen licht reflecteren wanneer ze worden uitgerekt of om deeltjes te filteren op basis van vorm.

Zoals vaak in het verleden, begon het team met een zachte, plooibare siliconenfilm. De onderzoekers strekten die film uit voordat ze hem behandelden met ultraviolette ozon om een ​​microscopisch dunne laag siliciumdioxide te produceren, het belangrijkste bestanddeel van het meeste glas. Vervolgens bedekten ze bepaalde delen van het silica met dicht struikgewas van waterafstotende moleculen; andere secties werden grotendeels of volledig kaal gelaten, waardoor een bevochtigingsgradiënt ontstond die druppels van het hydrofobe naar het hydrofiele zou kunnen drijven.

Het verkrijgen van enige realtime controle over de beweging van die druppels was toen een simpele en letterlijke kwestie van loslaten. Het ontspannen van de voorgerekte siliconenfilm introduceerde rimpels in de silica, vergelijkbaar met hoe een pleister die over de elleboog van een gebogen arm wordt geplaatst, zal kreuken wanneer de arm wordt gestrekt. Het team van Morin vermoedde dat die rimpels voldoende ruwheid konden introduceren om de snelheid van de druppels te vertragen, zelfs op de hydrofobe delen van het oppervlak.

Experimenten bevestigden de hypothese: in hun volledig ontspannen, gerimpelde toestand konden de hydrofobe strekkingen de druppels allemaal tegelijk stoppen; in hun volledig strakke, gladde staat voerden ze de druppels voort zoals ze normaal zouden doen.

De onderzoekers hebben die controle sindsdien aangescherpt door de films uit te rekken en te ontspannen om de druppels van seconde tot seconde te starten en te stoppen. Ze hebben zelfs laten zien dat ze in staat zijn om de zwaartekracht uit te dagen, door druppels op hellingen te transporteren die steiler zijn dan die gerapporteerd in eerder onderzoek.

Ruwe ruiters

Of en hoe snel een druppel zal bewegen, hangt gedeeltelijk af van de ernst van een bevochtigingsgradiënt. Wanneer de overgang van hydrofoob naar hydrofiel over een korte afstand plaatsvindt, versnellen de druppels over het oppervlak; wanneer die overgang zich over een langere afstand uitstrekt, timmeren de druppels langzamer. Hoe “steiler” de helling, met andere woorden, hoe groter de aandrijfkracht en snelheid van de druppels. Andere factoren, waaronder de druppelgrootte, zijn ook bekende factoren.

Maar het team ontdekte ook dat de versnellings- en remsystemen niet alleen afhingen van de aanwezigheid van de microscopisch kleine verkeersdrempels, maar ook van hun hoogte en afstand, die beide de druppelsnelheid leken te beïnvloeden. Vanuit wiskundig en theoretisch oogpunt realiseerde het team zich dat de ruwheid van het oppervlak niet de juiste was.

Om beter te begrijpen en te voorspellen hoe ruwheid het druppeltransport beïnvloedde, namen Morin en Mazaltarim de variabele op in een aantal vergelijkingen die traditioneel worden gebruikt om het fenomeen te kwantificeren. Na wat aanpassingen en experimentele verificatie, voorspelde hun resulterende model de specifieke ruwheid die nodig was om een ​​druppel van een bepaalde grootte te vertragen of te stoppen – samen met de minimale grootte die nodig was om die ruwheid te overwinnen en andere factoren die de beweging van een druppel weerstaan.

Dat stelde het team op zijn beurt in staat om oppervlakken te maken die grotere druppels zouden transporteren terwijl kleinere op hun plaats zouden blijven, of het vertrek van de laatste alleen activeren wanneer de elastische film voorbij een bepaalde drempel wordt uitgerekt. En dat, zei het team, nuttig zou kunnen zijn bij het sorteren van verschillende vloeistoffen voor analytische of andere doeleinden.

Het vermogen van zo’n eenvoudige techniek om dergelijk nauwkeurig, voorspelbaar gedrag op te leveren, maakt het veelbelovend voor een reeks andere toepassingen, zei Morin. Het team heeft zijn potentieel in zelfreinigende materialen al geïllustreerd door een elastisch oppervlak te vervuilen met metaalstof en het vervolgens uit te rekken om een ​​waterval van druppels te veroorzaken die al het stof op hun pad wegvoeren. Het oogsten van water voor stadslandbouw, veeteelt of drinkwater kan baat hebben bij een vergelijkbare aanpak.

‘Je kunt je stoffen voorstellen waarbij je druppels op een bepaald gedeelte verzamelt,’ zei Morin, ‘en dan bedient u het oppervlak, dat ze vervolgens naar een soort opslagcontainer drijft.’

Er is ook de mogelijkheid om de functionaliteit uit te breiden van materialen die zijn ontworpen om zweet van de huid of druppels van andere oppervlakken te verwijderen. Dit laatste kan mogelijk helpen bij het koelen van energieopwekkende systemen die aanzienlijke hoeveelheden warmte produceren.

“Veel onderzoek op dat gebied is gericht op hydrofobe en superhydrofobe oppervlakken met unieke warmte-uitwisselingseigenschappen”, zei Morin. “Je zou het verdampingskoelingseffect van zweet als inspiratie kunnen gebruiken. Maar we stellen ons een actiever systeem voor, waarbij je letterlijk een druppel gebruikt om warmte op te vangen en deze vervolgens actief ergens anders heen verplaatst om die warmte af te voeren.

“Dat is een goede zaak als je actief probeert elk soort apparaat te koelen. Dit presenteert gewoon een nieuwe manier om dat soort resultaten te bereiken.”

Verderop ziet Morin veelbelovend voor het kalibreren van de techniek om druppeltjes in twee dimensies te transporteren in plaats van slechts één. Door dat te beheren, zei hij, zou het een levensvatbaar alternatief kunnen worden in zogenaamde lab-on-a-chip-technologieën die microscopisch kleine monsters van vloeistoffen sturen, mengen en vervolgens analyseren.

“We hebben de mogelijkheid om echt de eigenschappen van de gradiënten in te stellen en hoe ze zich koppelen aan de microtextuur van het oppervlak,” zei Morin. “Dus ik denk dat er veel speelruimte is in de manier waarop je het systeem ontwerpt om een ​​specifiek prestatieresultaat te krijgen.”

Het team rapporteerde zijn bevindingen in het tijdschrift Nature Communications.