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新机制以创纪录的速度和长距离移动液滴而无需额外的动力

即使在重力作用下,在没有额外力的情况下高速和长距离地在固体表面上传输液滴也是一项艰巨的任务。但是由香港城市大学(CityU)和其他三所大学和研究机构的科学家组成的研究小组最近设计了一种新的机制,以创纪录的速度和距离输送水滴而无需额外的能量输入,并且液滴可以向上移动垂直表面,以前从未实现过。控制液滴运动的新策略可以为微流体装置,生物分析装置等领域的应用开辟新的潜力。

用于传输液滴的常规方法包括利用表面上的润湿梯度来诱导驱动力并将液滴从疏水表面移动到亲水表面。然而,支撑液滴流体动力学的基本权衡施加了限制:高速运输液滴需要大的润湿梯度,并且反过来限于短距离,而长的运输距离需要小的润湿梯度以降低液体之间的粘合力。和固体表面,然后约束传输速度。

为了克服这些挑战,研究人员设计了一种新策略,可以在不同基质上实现单向和自推进的液滴输送。他们的工作表现出前所未有的性能:最高的运输速度(1.1米/秒)比之前报道的高10倍,并且代表了最长的无限运输距离。

操纵表面电荷密度

这一突破的关键在于通过液体接触操纵表面电荷,这是第一次实现。研究小组首先在他们之前开发的特殊设计的超疏水(超防水和防油)表面上滴下了一串水滴。在撞击表面时,液滴立即从表面扩散,缩回和反弹。这导致电子与液滴分离,并且受影响的表面变为带负电。

通过调节液滴落在表面上的高度,表面上的表面电荷密度逐渐变化,形成梯度。当随后将液滴放置在该表面上时,表面电荷密度梯度充当驱动力。然后液滴将自推进并沿更高电荷密度的方向移动。

与化学或形态学梯度不同,它们一旦形成就难以改变,电荷密度梯度可以很容易地改变,从而能够重新编程液滴运动路径。该研究表明,在室温下可以刺激高速和超长的液滴传输,并且不需要额外的能量。

这种液滴输送不仅表现在平坦表面上,而且表现在柔性和垂直放置的表面上。此外,可以输送各种液体,包括具有低表面张力,低介电常数,血液和盐溶液的液体。

微流体装置的应用潜力

“我们设想我们利用表面电荷密度梯度来编程液滴传输的创新,这在以前没有探索过,将开辟一个新的研究方向和应用潜力。例如,在生物医学中,优先充电的表面设计密度梯度可能会影响细胞迁移和其他行为,“王教授说。邓教授还表示,该策略可应用于微流体芯片实验室设备和生物分析设备,以及材料科学,流体动力学等领域。

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