Tecnologia Científica

A realização de surfistas Marangoni ativos em microescala
Nos últimos anos, as partículas autopropulsoras se tornaram o foco de inúmeros estudos de física, pois poderiam servir como um modelo para estudar o movimento de objetos brownianos ativos com uma ampla gama de velocidades e interações.
Por Ingrid Fadelli - 25/09/2020


Resultados da simulação de um surfista Marangoni em microescala em uma interface líquido-líquido. O surfista tem um boné dourado, mostrado em amarelo, que esquenta com a luz do laser, que por sua vez induz o “surf” da partícula. A velocidade da partícula está na direção da seta preta e pode ter uma magnitude de até 10.000 comprimentos de corpo por segundo. Essas velocidades incríveis são devidas a um acoplamento intrincado entre as tensões de Marangoni induzidas por ambos os gradientes de temperatura (representados pelas superfícies de vermelho para azul) e gradientes de concentração de surfactante (representados pela cor azul escuro para amarelo da interface). Crédito: Nick Jaensson

Os surfistas Marangoni são pequenas partículas que se autopropelem enquanto se estendem por uma interface fluido-fluido de uma forma semelhante àquela em que um surfista se move na superfície de uma onda. Nos últimos anos, as partículas autopropulsoras se tornaram o foco de inúmeros estudos de física, pois poderiam servir como um modelo para estudar o movimento de objetos brownianos ativos com uma ampla gama de velocidades e interações.

Pesquisadores da ETH Zürich, da Heinrich-Heine University em Düsseldorf e da University College London (UCL) realizaram recentemente surfistas Marangoni micrométricos ativos aplicando luz laser aos coloides Janus absorvidos nas interfaces água-óleo. Seu artigo, publicado na Physical Review Letters , baseia-se em vários estudos anteriores que exploram o uso da luz para controlar o movimento de micro-nadadores.

"Este trabalho surgiu através de um esforço contínuo para criar micro-nadadores que sejam mais eficientes e que possam ser facilmente controlados", disseram Lucio Isa e Nick Jaensson, dois dos pesquisadores que realizaram o estudo. "Nossos resultados são baseados em um corpo de trabalho existente que trata do controle do movimento de micro-nadadores usando luz e com as propriedades dos micro-nadadores confinados em interfaces de fluidos, o que inclui alguns de nossos trabalhos anteriores."

Em um de seus estudos anteriores, Isa e seus colegas descobriram que confinar as partículas de Janus nas interfaces óleo-água permitiu que essas partículas se autopropulsassem por meio de gradientes químicos autogerados que desencadearam reações catalíticas. Este efeito se assemelha muito ao que costuma ser observado em partículas dentro de suspensões em massa.

"As partículas que demonstramos constituem um novo sistema modelo que pode ser usado para investigar as propriedades de uma nova classe de materiais ativos", disseram Isa e Jaensson. “Pretendemos agora estender nossos estudos, onde nos concentramos essencialmente na caracterização do comportamento de propulsão uniparticulada e na elucidação de suas origens microscópicas, para o caso do controle simultâneo de montagens de surfistas de Marangoni para a realização de materiais ativos bidimensionais . "


Além disso, os pesquisadores observaram que essas partículas poderiam interagir muito fortemente entre si devido às forças eletrostáticas repulsivas que caracterizam os objetos presos em interfaces. Embora essa observação tenha aberto novas possibilidades para o estudo de partículas ativas de forte interação, sabe-se que nadadores catalíticos são particularmente difíceis de controlar usando fatores externos. Isso ocorre porque sua propulsão depende da concentração de combustível químico, que é difícil de regular dinamicamente.

"A solução para este problema veio acoplando a geração de gradientes de temperatura assimétricos por partículas de Janus que absorvem luz e a ideia bem conhecida de que nas interfaces de fluido, essas geram gradientes de tensão superficial e, correspondentemente, fluxos de Marangoni que poderiam ser aproveitados para impulsionar o partículas através de iluminação controlada espacial e temporalmente ", disse Isa e Jaensson.
 
Os surfistas Marangoni são partículas autopropulsoras, o que significa que eles podem converter fontes externas de energia (por exemplo, luz) em movimento direcionado, criando e mantendo uma assimetria nas propriedades de seu ambiente circundante (por exemplo, perfis de temperatura), por sua vez, gerando superfície perfis de tensão. O nome Marangoni está associado à origem desta qualidade autopropulsora, que é mediada por gradientes de tensão superficial e seus correspondentes fluxos de fluido. A manifestação desses fluxos de fluidos, que podem ser observados em vários fenômenos físicos (por exemplo, lágrimas de vinho e propulsão de barcos de cânfora), é conhecida como efeito Marangoni.

"Os surfistas de Marangoni são importantes na física porque constituem um novo sistema de modelo para estudar o movimento ativo de objetos em microescala autopropulsores com uma enorme faixa dinâmica de velocidades (até 10.000 comprimentos corporais por segundo) e interações sintonizáveis", disse Isa e Jaensson . “Estes últimos são mediados pela interface fluida, que também os confina em um plano bidimensional sem a presença de contornos sólidos. Estudar experimentalmente o movimento coletivo de partículas ativas na ausência de agregação tem sido um desafio para a comunidade e vai pavimentar a maneira de estudar materiais bidimensionais, como cristais e vidros feitos exclusivamente de componentes ativos. "

Para perceber os surfistas Marangoni em microescala, Isa, Jaensson e seus colegas usaram um método simples que envolve o revestimento de uma monocamada de partículas (ou seja, uma camada de partículas compactadas) usando um filme de ouro por meio de uma técnica conhecida como revestimento por pulverização catódica. Posteriormente, eles confinaram as partículas em uma interface óleo-água, depositando uma gota de uma suspensão aquosa usando uma micro seringa.

Finalmente, os pesquisadores iluminaram as partículas usando um laser verde. A luz desse laser foi absorvida pelas tampas de ouro da partícula, gerando um perfil de temperatura assimétrico.

"O perfil de temperatura assimétrico gerado pela adsorção da tampa de ouro gera um gradiente de tensão superficial que impulsiona as partículas através dos fluxos de Marangoni", disse Isa e Jaensson. "Na presença de espécies tensoativas, ou seja, surfactantes, o movimento das partículas também é acoplado a um gradiente de concentração, que gera um segundo perfil de tensão superficial. O equilíbrio entre os dois regula a propulsão."

Isa, Jaensson e seus colegas estão entre os primeiros pesquisadores a demonstrar partículas ativas com uma gama extremamente ampla de velocidades de propulsão possíveis, aproveitando os fluxos de Marangoni em microescala. Além disso, as velocidades de propulsão das partículas que eles criaram podem ser facilmente reguladas simplesmente controlando a concentração do surfactante e a iluminação.

"As partículas que demonstramos constituem um novo sistema modelo que pode ser usado para investigar as propriedades de uma nova classe de materiais ativos", disseram Isa e Jaensson. “Pretendemos agora estender nossos estudos, onde nos concentramos essencialmente na caracterização do comportamento de propulsão uniparticulada e na elucidação de suas origens microscópicas, para o caso do controle simultâneo de montagens de surfistas de Marangoni para a realização de materiais ativos bidimensionais . "

 

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