Фізика
Фізика

Складки на силіконі допомогли краплям води скотитися знизу вгору

Фізики наполовину покрили силіконові плівки гідрофобним матеріалом, нанесли на них мікрорельєф та знайшли новий спосіб керувати рухом води: вона змогла поповзти вгору, трохи затриматися навіть на поверхні, що «боїться» води, і зібрати з неї металевий пил. Вчені детально описали поведінку крапель у Nature Communications та пропонують використовувати новий метод для запобігання забрудненням, відбору придатної води, систем тепловідведення і навіть лабораторій на чіпі.

Вода долає гравітацію під кутом 30 градусів. Ali J. Mazaltarim et al. Nature Communication, 2021

Вода долає гравітацію під кутом 30 градусів. Ali J. Mazaltarim et al. Nature Communication, 2021

Навіщо фізики спостерігають за краплями?

На межі розділу різних фаз, як-то тверде тіло-газ (рідина), рідина-рідина, рідина-газ, виявляються особливі властивості систем, які називають поверхневими явищами. Це зокрема змочування рідинами поверхні твердих тіл і адсорбція. Причиною їхньої появи є надлишкова енергія, зосереджена на межі розділу цих фаз, і саме її вчені використовують, щоб ініціювати рух рідини. Підходи можна розділити на статичні, динамічні або «програмовані». Але головна мета полягає у тому, щоб змусити краплі певним чином утримуватися на поверхні і / або рухатися по ній, що вчені планують використовувати для «лабораторій на кристалі», інтелектуальних покриттів і інших, пов'язаних з рідинами систем. Наприклад, ці ж лабораторії, засновані на краплях, стають все більш популярними, оскільки дають змогу відтворювати хімічні процеси.

«Програмування» поверхонь зазвичай визначається градієнтом змочування. Ймовірно, вам вже зустрічалися з поняттям гідрофобних або гідрофільних поверхонь - вони в залежності від кута змочування між рідиною і твердою поверхнею, або радісно зустрічають воду, або прагнуть уникнути контакту з нею. Тож контрольований рух мікрокрапель містить у собі і хімічні, і термічні, і топографічні, і навіть керовані світлом підходи до формування подібних поверхонь. Втім, вони все ж не досконалі, адже поки погано можуть «перемикатися» між різними станами, а використання хімічних або структурних модифікацій часто пов’язане із обмеженнями: наприклад, активування поверхні світлом прив'язане до особливостей поверхневих реакцій, умов навколишнього середовища та вимагають спеціальних систем, необхідних для стимулювання або контролю поведінки рідини.

Крапля води збиває за собою металевий пил. Ali J. Mazaltarim et al. Nature Communication, 2021

Крапля води збиває за собою металевий пил. Ali J. Mazaltarim et al. Nature Communication, 2021

Як вирішили порухати краплі у новому дослідженні?

У роботі вчені вирішили контролювати рух мікрокрапель механічним підходом - матеріал має бути простим у виготовленні, легко масштабуватися і не потребувати додаткової обробки. Тому їхня стратегія поєднала два найпростіші у реалізації методи: хімічна обробка механічно регульованої поверхні, що усуває всі обмеження. Так фізики взяли м'який силіконовий еластомер, нанесли на нього мікрорельєф, який зникатиме, якщо плівку почати розтягувати, та гідрофобний матеріал. Візерунки зробили із діоксиду кремнію (кремнезему) висотою у кілька мікронів - вони рухатимуть мікрокраплі через розтягування або навпаки стягування плівки. Деформувати її вчені пропонують або вручну, або механічно, що значно спрощує реалізацію.

То як повели себе краплі води?

В експериментах брали участь мікрокраплі води об'ємом 3 мікролітри, які за потрапляння на гідрофобну частину поверхні очікувано «тікали» до гідрофільної. Однак, з’ясувалося, що за достатньої шорсткості поверхні, буквально її «зморщеності», краплі можна було уповільнити на гідрофобних ділянках, навчити повзти вгору під кутом до 30 градусів, вилітати окремі, менші, краплі та навіть очищувати поверхню. Дослідники відточили свій контроль, розтягуючи і розслабляючи плівки, щоб запускати і зупиняти краплі кожну секунду. Чи буде крапля рухатися, і з якою швидкістю - залежить від ступеня градієнта змочування. Чим «крутіший» градієнт, тим більша рушійна сила і швидкість крапель.

Потенціал підходу найкраще виявився в очищенні поверхні - вчені забруднили свої плівки металевим пилом, який навіть змінив шорсткість поверхні, однак краплі все одно продовжили рухатися хімічним градієнтом та видалили всі частинки на своєму шляху. Фізики провели до 100 циклів своїх експериментів, а краплі все одно не змінили своєї поведінки. Так вміння крапель вибірково вилітати з поверхні знадобиться для сортування різних рідин у тих же лабораторіях-на-чіпі, а можливість очищувати поверхню стане у пригоді для розумних матеріалів та на виробництвах. Ми вже писали про необхідність самоочищення матеріалів у новині, де сіль відростила ніжки та сама видалилась з поверхні.