Inspirados por uma espanãcie de folha de a¡rvore, cientistas da City University of Hong Kong (CityU) descobriram que a direção de espalhamento de diferentes la­quidos depositados na mesmasuperfÍcie pode ser direcionada, resolvendo um desafio que persiste hámais de dois séculos. Essa descoberta pode desencadear uma nova onda de uso de estruturas desuperfÍcie 3D para manipulação inteligente de la­quidos com profundas implicações para várias aplicações cienta­ficas e industriais, como design de fluidos e aprimoramento de transferaªncia de calor.

Liderada pelo professor Wang Zuankai, catedra¡tico do Departamento de Engenharia Meca¢nica (MNE) da CityU, a equipe de pesquisa descobriu que o comportamento inesperado de transporte de la­quidos da folha de Arauca¡ria fornece um prota³tipo empolgante para a direção direcional de la­quidos, ampliando as fronteiras do transporte de la­quidos. Suas descobertas foram publicadas na prestigiosa revista cienta­fica Science sob o tí­tulo " Direção direcional la­quida induzida por catraca capilar tridimensional ".

Arauca¡ria éuma espanãcie de a¡rvore popular no design de jardins. Sua folha consiste em catracas dispostas periodicamente inclinando-se em direção a  ponta da folha. Cada catraca tem uma ponta, com curvatura transversal e longitudinal em suasuperfÍcie superior e umasuperfÍcie inferior relativamente plana e lisa. Quando um dos membros da equipe de pesquisa, Dr. Feng Shile, visitou um parque tema¡tico em Hong Kong com a¡rvores de Arauca¡ria, a estrutura especial dasuperfÍcie da folha chamou sua atenção.

“O entendimento convencional éque um la­quido depositado em umasuperfÍcie tende a se mover em direções que reduzem a energia superficial. Sua direção de transporte édeterminada principalmente pela estrutura dasuperfÍcie e nada tem a ver com as propriedades do la­quido, como a tensão superficial”, disse o professor. Wang. Mas a equipe de pesquisa descobriu que la­quidos com diferentes tensaµes superficiais exibem direções opostas de propagação na folha da Arauca¡ria, em total contraste com a compreensão convencional.

Ao simular sua estrutura natural, a equipe projetou umasuperfÍcie inspirada em folhas de Arauca¡ria (ALIS), com catracas 3D de tamanho milimetrado que permitem que os la­quidos sejam perversos (ou seja, movidos por ação capilar) tanto para dentro quanto para fora do plano dasuperfÍcie. 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 espaa§amento ponta a ponta das catracas e o a¢ngulo de inclinação das catracas, são cruciais para a direção direcional la­quida.

Para la­quidos com alta tensão superficial, como a a¡gua, a equipe de pesquisa descobriu que uma fronteira do la­quido é"fixada" na ponta da catraca 3D. Como o espaa§amento ponta a ponta da catraca écompara¡vel ao comprimento do capilar (mila­metro) do la­quido, o la­quido pode retroceder contra a direção de inclinação da catraca. Em contraste, para la­quidos com baixa tensão superficial, como o etanol, a tensão superficial atua como uma força motriz e permite que o la­quido se mova ao longo da direção de inclinação da catraca.

"Pela primeira vez, demonstramos o transporte direcional de diferentes la­quidos na mesmasuperfÍcie, abordando com sucesso um problema no campo da ciência desuperfÍcie e interface que existe desde 1804", disse o professor Wang. "O design racional das novas catracas capilares permite que o la­quido '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 la­quidos. Este foi o primeiro registrado observação no mundo cienta­fico. "

Ainda mais interessante, seus experimentos mostraram que uma mistura de águae 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 águae etanol na mistura, podemos alterar a tensão superficial da mistura , permitindo-nos manipular a direção do fluxo do la­quido", disse o Dr. Zhu Pingan, professor assistente no MNE da CityU, coautor do o papel.

A equipe também descobriu que as catracas capilares 3D podem promover ou inibir o transporte de la­quido 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 umasuperfÍcie com catracas simanãtricas (catracas perpendiculares a superfÍcie ). Ao inserir o ALIS com catracas inclinadas para baixo, o aumento capilar foi menor.

Suas descobertas fornecem uma estratanãgia eficaz para a orientação inteligente do transporte de la­quidos atéo destino, abrindo um novo caminho para o transporte de la­quidos induzido pela estrutura e aplicações emergentes, como design de microflua­dicos, aprimoramento da transferaªncia de calor e classificação inteligente de la­quidos.

"Nossa nova direção direcional la­quida 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.