Жидкие альпинисты: манипуляции с каплями воды для создания лабораторий на чипе и технологии самоочистки



    «Однажды начался дождь и не прекращался четыре месяца. За это время мы узнали все виды дождя: прямой дождь, косой дождь, горизонтальный дождь, и даже дождь, который идет снизу вверх» (Форрест Гамп, 1994 год).

    Мы, конечно, помним, что у Форреста был особый взгляд на окружающий мир. Говоря о дожде «снизу вверх», он имел в виду капли дождя, отскакивающие от поверхности водоема. Ведь вода не может просто так двигаться вверх, так ведь? Во-первых, может. Во-вторых, вверх — не единственное направление движения воды. В-третьих, направлением можно управлять. Манипуляции с крошечными каплями воды позволят создавать лаборатории на чипе и наделять те или иные материалы свойствами самоочистки. Ранее эти высказывания были лишь теорией, но с недавних пор они были подтверждены на практике, о чем мы сегодня и поговорим. Что такое лаборатория на чипе, как вещи смогут очищать себя сами, и как ученым удалось приручить капли воды? Ответы на эти вопросы сокрыты в докладе ученых. Поехали.

    Основа исследования


    Мы все чаще слышим слово «контроль». Ученые пытаются контролировать практически все, что может помочь в достижении успешных результатов того или иного исследования: контроль спинов, контроль молекул, контроль слуховой коры мозга мыши и т.д. В случае технологий самоочистки и цифровой микрофлюидики требуется контроль капель применяемых в них жидкостей.

    На данный момент уже есть ряд технологий манипулирования каплями, однако все они обладают достаточно серьезными недостатками: сложные электродные паттерны, слишком высокая температура (установка Лейденфроста*), низкая скорость молекулярного перемещения, необходимость в пьезоэлектрических подложках и т.д.
    Эффект Лейденфроста* — явление, когда при контакте жидкости с очень горячим телом (температура выше точки кипения жидкости) формируется изолирующий слой пара, предотвращающий быстрое выкипание жидкости.
    Однако, в рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые смогли побороть все вышеперечисленные недостатки, применив новый метод — «механо-увлажнение» (mechanowetting). Данная методика позволила переместить каплю по горизонтальной и наклонной поверхностях посредством поперечных поверхностных волн. При этом скорость капли равна скорости волны. Детальнее о результатах наблюдений далее.

    Результаты исследования


    Для демонстрации необычного маршрута капель ученые разработали устройство, генерирующее обычные и контролируемые поперечные поверхностные волны ().


    Изображение №1

    Волнообразная структура поверхности, которую отчетливо видно на 1а, удалось получить путем снижения давления под ПДМС* пленкой толщиной 50 мкм. Из-за этого пленка прижимается к движущемуся ремню с поперечными выступами.
    ПДМС* — полидиметилсилоксан, (C2H6OSi)n.
    Длина волны пленки определяется расстоянием между выступами на ремне, а амплитуда волны (3 до 5 мкм) контролируется вакуумным давлением. Ученые установили, что отдельные капли объемом 0.1…5 мкл (микролитр) на поперечных волнах с длиной волны 500 мкм движутся со скоростью 0,57 мм/с, что равно скорости применяемой волны.


    Движение капли объемом 1.3 мкл (соответствует изображениям 1d-1d).

    Далее ученые провели CFD моделирование (вычислительная гидродинамика) в совокупности с практическими экспериментами и теоретическими основами, чтобы лучше понять природу движущей силы, количественно ее описать и, естественно, лучше контролировать всю систему.

    Численное описание отдельной капли было выполнено с помощью CFD модели с вертикально деформирующимися границами (фрейморк OpenFOAM).


    CFD модель капли объемом 1.4 мкл (соответствует изображениям -1g).

    Сравнив первое и второе видео, а также снимки реальных капель и изображения смоделированных, мы видим, что результаты отлично сопоставляются. Моделирование полностью подтверждает практические наблюдения.

    Ученые проанализировали частицы внутри капли, сравнив наблюдения с внутренней скоростью капли в CFD модели, в результате чего было выявлено вращательное движение.


    Изображение №2

    Далее ученые усложнили задачу для капель, изменив наклон поверхности () таким образом, чтобы гравитационная сила не стала больше движущей силы капель. На графике показаны результаты ряда экспериментов, в которых каждому испытуемому объему капли соответствует критическое значение угла наклона. Просматривается определенная тенденция: значение критического угла наклона снижается при увеличении объема капли. Поясняется это довольно просто: сила гравитации возрастает значительно быстрее, чем движущая сила капли, которая действует через трехфазную контактную линию (жидкость — жидкость — воздух).

    Также было установлено, что значение критического угла не уменьшается линейно (равномерно), вместо этого имеет место резкий спад, видимый на графике .


    Две капли разного объема на поверхности с углом наклона 13 ° (соответствует изображениям 2b и ).

    Поскольку движущая сила большей капли (3.1) больше чем гравитационная, капля движется вверх. А движущая сила меньшей капли (2.7) меньше гравитационной, потому капля скатывается вниз.

    Стоит отметить, что вводные данные для модели соответствовали параметрам реальной установки и каплям, применяемым в практических экспериментах.

    Далее ученые проверили, как скорость и амплитуда влияют на значение критического угла наклона. Как видно с диаграммы на 2d, критический угол уменьшается при увеличении скорости волны. Также было установлено, что при достаточно высокой скорости волны и при более низком амплитудном диапазоне движущей силы становится недостаточно для переноса капли. Это связано с повышенным вязким сопротивлением, связанным с увеличением вязкой диссипации внутри капли.

    Корреляция между диссипацией и скоростью капли обусловлена тем, что увеличение скорости переноса капли обязательно приводит к увеличению скорости потока внутри капли из-за характера движения капель (вращательное). Кроме того, увеличение амплитуды волны приводит к линейному увеличению критического угла.

    Следующим шагом в исследовании стало уточнение причин колебательного характера значения критического угла наклона и его возможной связи с формой капель и линиями соприкосновения во время их движения.


    Изображение №3

    Ученые решили рассмотреть два варианта капель: 2.1, для которых критический угол достигает максимума (верхний ряд на и 3b), и 2.7, для которых критический угол достигает минимума (верхний ряд на 3d и ).

    При нулевом угле наклона капли ( и ) обладают симметричной формой. Когда волна начинает движение, устройство наклоняется, что приводит к искажению положения капли относительно гребней. Из-за этого форма капли становится асимметричной (3b и 3d).

    Изменение формы капли выводит систему из равновесия и активирует силу упругости*, которая и управляет движением капли.
    Сила упругости* — во время деформации тела возникает сила упругости, которая стремится вернуть ему прежнюю форму (т.е. в исходное состояние).
    Количественное определение силы упругости было выполнено посредством теоретического моделирования, основанного на мгновенном изменении локального угла контакта при искажении формы капли. В среде модели капли были описаны как сферические частицы, а величина искажения формы капли при сдвиге центра массы этой же капли относительно исходного состояния (равновесного) была фиксированной. Учитывая это, ученые рассчитали силу на единицу длины (натяжение), возникающую из-за дисбаланса сил поверхностного натяжения (синие стрелки на изображении №3) на линии соприкосновения.

    Общая сила была получена путем интеграции напряжений вдоль трехфазной линии, в результате чего получается чистая сила (красная стрелка на изображении №3).

    Теоретическая модель подтвердила, что в исходном (равновесном) состоянии натяжения трехфазных линий симметричны. А во время искажения формы капли возникает их асимметрия. При этом генерируется чистая сила (динамическое закрепление), которая уравновешивает противодействующие силы (статическое закрепление, гравитация и вязкие силы). В результате было установлено, что самые высокие силы могут генерироваться при угле контакта около 65,5°.

    Промежуточный итог заключается в том, что капли могут спокойно преодолевать наклонные поверхности, поднимаясь со скоростью 0.57 мм/с, преодолевая при этом гравитационные силы ().


    Изображение №4


    Вертикальное перемещение капли.


    Передвижение капли по потолку (соответствует изображению 4b).

    В демонстрируемом устройстве «механо-увлажнения» максимальная генерируемая сила составила 2 мкН (микроньютон). Расстояние, которое может преодолеть капля (в любом положении) ограничивается лишь габаритами самого экспериментального устройства. Увеличение рабочей поверхности приведет к увеличению проходимого каплей расстояния с той же скоростью.

    Однако, многие из вас спросят — а из чего должны быть капли, чтобы вся эта красота работала? Исследователи также задались этим вопросом и проверили свою методику на разных жидкостях (вода, изопропиловый спирт и минеральное масло). Практические тесты показали, что между этими тремя вариантами нет особой разницы, и все они отлично подходят для реализации исследуемой методики.


    Демонстрация одновременного перемещения множества капель разного объема и, соответственно, размера (соответствует изображению ).

    Исследователи отмечают, что наличие критического угла в качестве важного аспекта данной методики позволяет сортировать капли. Наклоняя установку под определенным углом, можно заметить, что капли с критическим углом ниже порогового значения не смогут перемещаться вдоль волны, тогда как капли, которые показывают большие максимальные критические углы, будут транспортироваться. Следовательно, только капли определенного размера будут перемещаться вместе с волной, а остальные будут соскальзывать с наклонной поверхности. Когда две капли объединяются, этот процесс сортировки повторяется, и капля будет сортироваться на основе ее нового размера.

    А что там с самоочисткой поверхностей? Это довольно полезное свойство, не так ли? Так вот, исследователи провели наблюдения за каплями, перемещающимися по установке. Они определили, что эти капли способны очищать поверхность от загрязнений.

    Далее ученые создали модель загрязненной поверхности, нанеся большое количество карбоната кальция (CaCO3 с размером частиц <50 мкм) на поверхность ПДМС пленки (покрывает устройство).

    Включив устройство бегущей волны, частицы CaCO3 никуда не делись, а сохраняли свое положение на поверхности, что связано с поперечным характером волны. Далее на загрязненную поверхность нанесли капли из воды и изопропилового спирта. Капли перемещаются по поверхности, тем самым очищая ее от загрязнения.


    Очистка загрязненной поверхности «бегущими» каплями (соответствует изображению 4d).

    Однако есть и отрицательный эффект в этом процессе. Наличие частиц CaCO3 на рабочей поверхности привело к увеличению сопротивления и снижению эффективной скорости капель до 20% от скорости волны. Но это не помешало каплям чистить поверхность по ходу своего маршрута.

    Провокационный момент узости применения капель-путешественниц исключительно в рамках экспериментальной установки ученые также прекрасно понимают. В дальнейшем они планируют использовать чувствительные топографии поверхностей, которые характеризуются механической деформацией в ответ на внешние раздражители, такие как свет, магнитные поля и температура.

    Особым интересом для исследователей обладают светочувствительные жидкокристаллические полимеры и эластомеры. А все из-за их точного пространственно-временного контроля, позволяющего волнообразно перемещаться по поверхности с помощью структурированных или движущихся источников света или при постоянном освещении путем самозатенения.

    Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

    Эпилог


    Прежде всего хотелось бы отметить, что проведенные эксперименты с применением разработанной учеными тестовой установки это еще не готовый продукт или технология. Эта установка была использована для демонстрации исследуемой методики динамических капель и функции самоочистки.

    В дальнейшем ученые планируют применять другие технологии, в частности жидкокристаллические полимеры и эластомеры, о которых мы говорили ранее. Данный же труд является лишь подтверждением того, что методика механо-увлажнения имеет полное право на существование, поскольку обладает преимуществами перед другими технологиями, чьи цели схожи с этой методикой.

    Одним из основных направлений, где можно будет применить это чудо научной мысли, это микрофлюидика, то есть диагностика жидкостей с использованием устройств малых размеров. А функция самоочистки может найти свое применение в создании самоочищающихся медицинских приборов, морских датчиков, окон, солнечных панелей и даже в реализации технологий по сбору росы.

    Какое бы будущее не ждало данную технологию, сам факт ее разработки говорит об исключительности человеческого интеллекта. Наш мозг способен порождать самые неординарные, выходящие за рамки идеи, которые порой сложно реализовать, но результат этой реализации подтверждает, что для нас нет ничего невозможного.

    Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей рабочей недели, ребята! :)

    Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

    Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
    • +16
    • 2,4k
    • 3
    ua-hosting.company
    308,89
    Хостинг-провайдер: серверы в NL / US до 100 Гбит/с
    Поделиться публикацией

    Комментарии 3

      0
      пленка прижимается к движущемуся ремню с поперечными выступами.
      интересно, какие могут быть варианты, чтобы обойтись без движущегося ремня (и вообще без движущихся частей, кроме плёнки) — электростатика?
        0
          0
          В статье же написано — полимеры, из-меняющие свойства под действием света и других видов излучений.

          В целом же сам принцип смещения вещества в следствии смещения поверхности (в виде бегущей волны) известен очень давно. Практическое же применение для некой самоочистки — неэффективно. Гораздо дешевле использовать что-то вроде дворников на лобовом стекле с контролируемой подачей очистителей. Но может и найдут какую-нибудь эффективную нишу.

        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

        Самое читаемое