_ Microfabricarea face ca micropicăturile să fie „ascultătoare de model” dar ecuația Gibbs „neascultătoare”

Micropicăturile găsesc aplicații versatile în domeniile chimiei, științei materialelor și biochimiei, în special în ingineria chimică și microfluidica biochimică, cum ar fi microreactoarele și biosenzorii. Obținerea unui control precis asupra micropicăturilor în forma, dimensiunea și unghiul de contact (CA) lor este esențială în special pentru aplicații precum controlul precis al tiparelor de imprimare/acoperire și al reacțiilor chimice.

Cercetarea actuală folosește capilarul și efectele de margine ale suprafețelor structurate cu micropilare pentru a obține anumite modele poligonale de picături de lichid. Cu toate acestea, atunci când i se administrează o combinație specifică lichid/material, în special pentru suprafețe superhidrofile (sau complet umede), unghiul de contact realizabil este limitat de ecuația convențională Gibbs utilizată în mod obișnuit pentru a accesa CA a unei macro-picături pe suprafețele aspre. Formele de contact ale micropicăturilor sunt limitate la anumite poligoane. Obținerea unui control precis asupra micropicăturilor cu forme arbitrare și o gamă largă de CA a fost de multă vreme o provocare.

Într-un studiu publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences, grupul Prof. Gao Yurui de la Centrul Național pentru Nanoștiință și Tehnologie (NCNST) a Academiei Chineze de Științe, în colaborare cu Prof. Zeng Xiaocheng de la Universitatea City din Hong Kong și Prof. Francisco Joseph S. de la Universitatea din Pennsylvania, folosind tehnici de fotolitografie și procesarea ulterioară, a fabricat o clasă de suprafețe structurate care prezintă micropereți/microcanale concentrici în buclă închisă, care permite controlul precis al micropicăturilor cu o gamă largă de CA și ajustabilitate ridicată a formei și modelului.

Pe baza noțiunii de „stări de umectare topologice”, cercetătorii au proiectat o varietate de suprafețe cu micropereți/microcanale cu buclă închisă ortorombici homocentrici folosind tehnici de litografie. Aceste suprafețe au prezentat unghiuri precise ale marginilor micropereților de 90° și, odată cu aplicarea tratamentului UV/ozon, au obținut un unghi de contact intrinsec de 0°. Pe aceste suprafețe cu structuri în buclă închisă s-au observat stări topologice de umectare.

Datorită topologiei în buclă închisă a structurilor de suprafață, micropicăturile au prezentat mai multe stări Wenzel cu liniile lor de contact trifazate fixate la marginea exterioară a microperetului. iar CA poate fi variată larg de la 0 la 130°. Prin proiectarea formei micropereților homocentrici, zona de contact și dimensiunea micropicăturilor pot fi de asemenea controlate eficient, permițând formarea nu numai a formelor obișnuite, cum ar fi cercuri, triunghiuri și pătrate, dar și a modelelor neregulate, cum ar fi formele în formă de inimă.

În plus, cercetătorii au extins controlul asupra dimensiunii CA. Ei au propus controlul într-o gamă largă (de la 0 la >130°), în special pentru combinații de suprafață/lichid cu umiditate completă intrinsec, prin valorificarea evaporării picăturilor și a geometriei în buclă apropiată.

Interesant, cercetătorii au descoperit o fenomen de umectare care provoacă ecuația tradițională Gibbs în descrierea picăturii la granițele sale: indiferent de forma structurii în buclă închisă, CA maximă a micropicăturii rămâne stabilă la aproximativ 130°, deviând în mare măsură de la limita unghiului prezisă de ecuația Gibbs pe baza efectelor de margine la scară macro.

Această constatare a sugerat că ecuația Gibbs, folosită în mod tradițional pentru accesarea CA a macropicăturilor de pe suprafețe aspre, poate să nu fie aplicabilă la scară micro sau nano. Această concluzie este aplicabilă diferitelor lichide, inclusiv izopropanol, etanol, decan și octan luate în considerare în acest studiu.

Prin simulări independente de dinamică moleculară, cercetătorii au atribuit această abatere mare de la predicția ecuației Gibbs unui efect cumulativ al interacțiunii apă-suprafață și structurii atomice a marginii. Ei au sugerat adăugarea unui termen de corecție la ecuația Gibbs pentru a aborda deviația aparentă.

„Această lucrare a demonstrat microstructuri în buclă închisă cu margini ortorombice bine controlate, permițând o analiză comparativă a unghiului de contact al picăturii și a marginii. Oferă dovezi de compilare cu privire la necesitatea ecuației Gibbs modificate la scară micro sau nano, iar picăturile obținute care pot fi controlate cu precizie oferă o posibilitate de măsurare precisă a picăturilor.

„Are implicații pentru exploatarea micropicăturilor controlabile în domenii precum microfluidica, reacțiile chimice și biosensing, oferind noi oportunități pentru fabricarea materialelor și sinteza verde”, a spus prof. Gao.

(Fluierul)