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新機制以創紀錄的速度和長距離移動液滴而無需額外的動力

即使在重力作用下,在沒有額外力的情況下高速和長距離地在固體表面上傳輸液滴也是一項艱巨的任務。但是由香港城市大學(CityU)和其他三所大學和研究機構的科學家組成的研究小組最近設計了一種新的機制,以創紀錄的速度和距離輸送水滴而無需額外的能量輸入,并且液滴可以向上移動垂直表面,以前從未實現過。控制液滴運動的新策略可以為微流體裝置,生物分析裝置等領域的應用開辟新的潛力。

用于傳輸液滴的常規方法包括利用表面上的潤濕梯度來誘導驅動力并將液滴從疏水表面移動到親水表面。然而,支撐液滴流體動力學的基本權衡施加了限制:高速運輸液滴需要大的潤濕梯度,并且反過來限于短距離,而長的運輸距離需要小的潤濕梯度以降低液體之間的粘合力。和固體表面,然后約束傳輸速度。

為了克服這些挑戰,研究人員設計了一種新策略,可以在不同基質上實現單向和自推進的液滴輸送。他們的工作表現出前所未有的性能:最高的運輸速度(1.1米/秒)比之前報道的高10倍,并且代表了最長的無限運輸距離。

操縱表面電荷密度

這一突破的關鍵在于通過液體接觸操縱表面電荷,這是第一次實現。研究小組首先在他們之前開發的特殊設計的超疏水(超防水和防油)表面上滴下了一串水滴。在撞擊表面時,液滴立即從表面擴散,縮回和反彈。這導致電子與液滴分離,并且受影響的表面變為帶負電。

通過調節液滴落在表面上的高度,表面上的表面電荷密度逐漸變化,形成梯度。當隨后將液滴放置在該表面上時,表面電荷密度梯度充當驅動力。然后液滴將自推進并沿更高電荷密度的方向移動。

與化學或形態學梯度不同,它們一旦形成就難以改變,電荷密度梯度可以很容易地改變,從而能夠重新編程液滴運動路徑。該研究表明,在室溫下可以刺激高速和超長的液滴傳輸,并且不需要額外的能量。

這種液滴輸送不僅表現在平坦表面上,而且表現在柔性和垂直放置的表面上。此外,可以輸送各種液體,包括具有低表面張力,低介電常數,血液和鹽溶液的液體。

微流體裝置的應用潛力

“我們設想我們利用表面電荷密度梯度來編程液滴傳輸的創新,這在以前沒有探索過,將開辟一個新的研究方向和應用潛力。例如,在生物醫學中,優先充電的表面設計密度梯度可能會影響細胞遷移和其他行為,“王教授說。鄧教授還表示,該策略可應用于微流體芯片實驗室設備和生物分析設備,以及材料科學,流體動力學等領域。

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