Tecnologia Científica

Primeira descoberta mundial de direção direcional líquida em uma superfície bioinspirada
Essa descoberta pode desencadear uma nova onda de uso de estruturas de superfície 3D para manipulação inteligente de líquidos com profundas implicações para várias aplicações científicas e industriais,
Por City University of Hong Kong - 16/09/2021


Inspirada na folha de Araucária, a equipe projetou uma superfície com estruturas de catraca 3D, que permitem que líquidos de diferentes tensões superficiais se espalhem em diferentes direções. Crédito: City University of Hong Kong

Inspirados por uma espécie de folha de árvore, cientistas da City University of Hong Kong (CityU) descobriram que a direção de espalhamento de diferentes líquidos depositados na mesma superfície pode ser direcionada, resolvendo um desafio que persiste há mais de dois séculos. Essa descoberta pode desencadear uma nova onda de uso de estruturas de superfície 3D para manipulação inteligente de líquidos com profundas implicações para várias aplicações científicas e industriais, como design de fluidos e aprimoramento de transferência de calor.

Liderada pelo professor Wang Zuankai, catedrático do Departamento de Engenharia Mecânica (MNE) da CityU, a equipe de pesquisa descobriu que o comportamento inesperado de transporte de líquidos da folha de Araucária fornece um protótipo empolgante para a direção direcional de líquidos, ampliando as fronteiras do transporte de líquidos. Suas descobertas foram publicadas na prestigiosa revista científica Science sob o título " Direção direcional líquida induzida por catraca capilar tridimensional ".

Araucária é uma espécie de árvore popular no design de jardins. Sua folha consiste em catracas dispostas periodicamente inclinando-se em direção à ponta da folha. Cada catraca tem uma ponta, com curvatura transversal e longitudinal em sua superfície superior e uma superfície inferior relativamente plana e lisa. Quando um dos membros da equipe de pesquisa, Dr. Feng Shile, visitou um parque temático em Hong Kong com árvores de Araucária, a estrutura especial da superfície da folha chamou sua atenção.

A estrutura especial da folha permite que o líquido se espalhe em diferentes direções

“O entendimento convencional é que um líquido depositado em uma superfície tende a se mover em direções que reduzem a energia superficial. Sua direção de transporte é determinada principalmente pela estrutura da superfície e nada tem a ver com as propriedades do líquido, como a tensão superficial”, disse o professor. Wang. Mas a equipe de pesquisa descobriu que líquidos com diferentes tensões superficiais exibem direções opostas de propagação na folha da Araucária, em total contraste com a compreensão convencional.

Ao imitar sua estrutura natural, a equipe projetou a superfície inspirada nas folhas da
Araucária com catracas 3D, que permitem que diferentes misturas de água e etanol
de tensões superficiais variadas se espalhem em três direções: para frente, para
trás e bidirecionalmente. Crédito: City University of Hong Kong

Ao simular sua estrutura natural, a equipe projetou uma superfície inspirada em folhas de Araucária (ALIS), com catracas 3D de tamanho milimetrado que permitem que os líquidos sejam perversos (ou seja, movidos por ação capilar) tanto para dentro quanto para fora do plano da superfície. Eles replicaram as propriedades físicas da folha com impressão 3D de polímeros. Eles descobriram que as estruturas e o tamanho das catracas, especialmente a estrutura reentrante na ponta das catracas, o espaçamento ponta a ponta das catracas e o ângulo de inclinação das catracas, são cruciais para a direção direcional líquida.

Para líquidos com alta tensão superficial, como a água, a equipe de pesquisa descobriu que uma fronteira do líquido é "fixada" na ponta da catraca 3D. Como o espaçamento ponta a ponta da catraca é comparável ao comprimento do capilar (milímetro) do líquido, o líquido pode retroceder contra a direção de inclinação da catraca. Em contraste, para líquidos com baixa tensão superficial, como o etanol, a tensão superficial atua como uma força motriz e permite que o líquido se mova ao longo da direção de inclinação da catraca.

Primeira observação do líquido 'selecionando' o fluxo direcional
 
"Pela primeira vez, demonstramos o transporte direcional de diferentes líquidos na mesma superfície, abordando com sucesso um problema no campo da ciência de superfície e interface que existe desde 1804", disse o professor Wang. "O design racional das novas catracas capilares permite que o líquido 'decida' sua direção de espalhamento com base na interação entre sua tensão superficial e estrutura superficial. Foi como um milagre observar os diferentes fluxos direcionais de vários líquidos. Este foi o primeiro registrado observação no mundo científico. "

Ainda mais interessante, seus experimentos mostraram que uma mistura de água e etanol pode fluir em direções diferentes no ALIS, dependendo da concentração de etanol. Uma mistura com menos de 10% de etanol propagou-se para trás contra a direção de inclinação da catraca, enquanto uma mistura com mais de 40% de etanol propagou-se na direção de inclinação da catraca. Misturas de 10% a 40% de etanol movidas bidirecionalmente ao mesmo tempo.

"Ajustando a proporção de água e etanol na mistura, podemos alterar a tensão superficial da mistura , permitindo-nos manipular a direção do fluxo do líquido", disse o Dr. Zhu Pingan, professor assistente no MNE da CityU, coautor do o papel.

Controle da direção de espalhamento ajustando a tensão superficial

A equipe também descobriu que as catracas capilares 3D podem promover ou inibir o transporte de líquido dependendo da direção de inclinação das catracas. Quando o ALIS com catracas inclinadas para cima foi inserido em um prato com etanol, a ascensão capilar do etanol foi maior e mais rápida do que a de uma superfície com catracas simétricas (catracas perpendiculares à superfície ). Ao inserir o ALIS com catracas inclinadas para baixo, o aumento capilar foi menor.

Membros da equipe de pesquisa da City University of Hong Kong: Professor Wang Zuankai
(à esquerda) e Dr. Zhu Pingan (à direita). Crédito: City University of Hong Kong

Suas descobertas fornecem uma estratégia eficaz para a orientação inteligente do transporte de líquidos até o destino, abrindo um novo caminho para o transporte de líquidos induzido pela estrutura e aplicações emergentes, como design de microfluídicos, aprimoramento da transferência de calor e classificação inteligente de líquidos.

"Nossa nova direção direcional líquida tem muitas vantagens, como transporte bem controlado, rápido e de longa distância com autopropulsão. E o ALIS pode ser facilmente fabricado sem micro / nanoestruturas complicadas", concluiu o professor Wang.

 

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