stringtranslate.com

Жидкие шарики

20 мкл жидкого мрамора, покрытого тефлоновым порошком

Жидкие шарики представляют собой неприлипающие капли (обычно водные ), обернутые микро- или нанометрическими гидрофобными коллоидными частицами ( тефлон , полиэтилен , порошок ликоподия , сажа и т. д.); представляющие собой платформу для разнообразных химических и биологических применений. [1] [2] [3] Жидкие шарики также встречаются в природе; тли превращают капли медвяной росы в шарики. [4] Различные неорганические и органические жидкости могут быть преобразованы в жидкие шарики. [3] [5] [6] Жидкие шарики демонстрируют эластичные свойства и не сливаются при отскоке или легком нажатии. [6] Жидкие шарики демонстрируют потенциал в качестве микрореакторов, микроконтейнеров для выращивания микроорганизмов и клеток , микрофлюидных устройств и даже использовались в нетрадиционных вычислениях . [5] [6] [7] Жидкие шарики остаются стабильными на твердых и жидких поверхностях. [1] [8] Сообщалось о статике и динамике качения и подпрыгивания жидких шариков. [9] [10] Сообщалось о жидких шариках, покрытых полидисперсными [6] и монодисперсными частицами. [11] Жидкие шарики не герметично покрыты твердыми частицами, а соединены с газообразной фазой. Исследовалась кинетика испарения жидких шариков. [12] [13] [14]

Водные мраморы на границе раздела

Жидкие шарики были впервые описаны П. Ауссиллоусом и Д. Куэром [1] в 2001 году, которые описали новый метод создания переносимых капель воды в атмосферной среде с гидрофобным покрытием на их поверхности для предотвращения контакта между водой и твердой землей (рисунок 1). Жидкие шарики обеспечивают новый подход к транспортировке жидкой массы на твердой поверхности, который в достаточной степени преобразует неудобные стеклянные контейнеры в гибкое, определяемое пользователем гидрофобное покрытие, состоящее из порошков гидрофобных материалов. С тех пор широко исследовались применения жидких шариков в массопереносе без потерь, микрофлюидике и микрореакторах . [15] [16] [17] [18] Однако жидкие шарики отражают только поведение воды на границе раздела твердое тело-воздух, в то время как нет никаких сообщений о поведении воды на границе раздела жидкость-жидкость в результате так называемого явления каскадной коалесценции.

Рисунок 1. Жидкий шарик на предметном стекле.

Когда капля воды контактирует с резервуаром для воды, она быстро отрывается от резервуара и образует меньшую дочернюю каплю, в то время как эта дочерняя капля будет продолжать проходить через аналогичный процесс контактного отрыва-разделения до тех пор, пока не завершит коалесценцию в резервуаре; комбинация или резюме этих самоподобных процессов коалесценции называется каскадом коалесценции. [19] Основной механизм каскада коалесценции был подробно изучен, но была лишь попытка контролировать и использовать его. [20] [21] [22] До недавнего времени Лю и др. заполняли этот пробел, предлагая новый метод управления каскадом коалесценции с помощью наноструктурированного покрытия на границе раздела жидкость-жидкость — интерфейсных жидких шариков. [23]

Рисунок 2. Водный шарик на границе раздела гексан-вода.

Подобно жидким шарикам на границе раздела твердое тело-воздух, интерфейсные жидкие шарики строятся на границе раздела гексан / вода с использованием капель воды с поверхностным покрытием, состоящим из наномасштабных материалов с особой смачиваемостью (рисунок 2). Для реализации интерфейсных водных шариков на границе раздела гексан/вода, индивидуальный размер частиц поверхностного слоя покрытия должен быть как можно меньше, чтобы линия контакта между частицами и резервуаром с водой могла быть минимизирована; особая смачиваемость со смешанной гидрофобностью и гидрофильностью также предпочтительна для образования интерфейсного водного мрамора. Интерфейсный водный мрамор может быть изготовлен путем предварительного покрытия капли воды наноматериалами со особой смачиваемостью, например, гибридными углеродными нанопроводами, оксидом графена . Затем на покрытую каплю воды наносится вторичный слой покрытия из поливинилиденфторида (ПВДФ). Затем дважды покрытая капля воды отливается в смесь гексан/вода и в конечном итоге оседает на границе раздела гексан/вода, образуя интерфейсный водный мрамор. В ходе этого процесса покрытие ПВДФ быстро диффундировало в гексан, чтобы уравновесить гидрофобное взаимодействие между гексаном и каплей воды, в то время как наноматериалы быстро самоорганизовались в наноструктурированный защитный слой на поверхности капли благодаря эффекту Марангони .

Интерфейсный водный мрамор может полностью противостоять каскаду коалесценции и существовать практически постоянно на границе раздела гексан/вода, при условии, что фаза гексана не истощается испарением . Интерфейсный водный мрамор также может реализовывать ряд движений, реагирующих на стимулы, путем интеграции функциональных материалов в слой поверхностного покрытия. Благодаря своей уникальности как по форме, так и по поведению интерфейсный водный мрамор, как предполагается, имеет замечательное применение в микрофлюидике , микрореакторах и массопереносе.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Aussillous, Паскаль; Кере, Дэвид (2001). «Жидкий мрамор». Природа . 411 (6840): 924–7. Бибкод : 2001Natur.411..924A. дои : 10.1038/35082026. PMID  11418851. S2CID  4405537.
  2. ^ Quéré, David; Aussillous, Pascale (2006). "Свойства жидких мраморов". Труды Королевского общества A: Математические, физические и инженерные науки . 462 (2067): 973. Bibcode : 2006RSPSA.462..973A. doi : 10.1098/rspa.2005.1581. S2CID  136039083.
  3. ^ ab McHale, G; Newton, M. I (2015). «Жидкие шарики: актуальный контекст в мягкой материи и недавний прогресс». Soft Matter . 11 (13): 2530–46. Bibcode :2015SMat...11.2530M. doi : 10.1039/C5SM00084J . PMID  25723648.
  4. ^ Пайк, Н.; Ричард, Д.; Фостер, В.; Махадеван, Л. (2002). «Как тли теряют свои шарики». Труды Королевского общества B: Биологические науки . 269 (1497): 1211–5. doi :10.1098/rspb.2002.1999. PMC 1691028. PMID  12065036 . 
  5. ^ аб Бормашенко, Эдвард; Бормашенко, Елена; Грынёв Роман; Ахарони, Хадас; Уайман, Джин; Бинкс, Бернард П. (2015). «Самодвижение жидких мраморов: левитация, подобная Лейденфросту, движимая потоком Марангони». Журнал физической химии C. 119 (18): 9910. arXiv : 1502.04292 . Бибкод : 2015arXiv150204292B. doi : 10.1021/acs.jpcc.5b01307. S2CID  95427957.
  6. ^ abcd Бормашенко, Эдвард (2016). «Жидкие шарики, эластичные антипригарные капли: от миниреакторов к самодвижению». Ленгмюр . 33 (3): 663–669. doi :10.1021/acs.langmuir.6b03231. PMID  28114756.
  7. ^ Дрейпер, Томас С.; Фуллартон, Клэр; Филлипс, Нил; Костелло, Бен П. Дж. де Лейси; Адамацкий, Эндрю (2017). «Ворота взаимодействия жидкого мрамора для вычислений на основе столкновений». Materials Today . 20 (10): 561–568. arXiv : 1708.04807 . Bibcode : 2017arXiv170804807D. doi : 10.1016/j.mattod.2017.09.004. S2CID  25550718.
  8. ^ Wong, Cl.YHM Adda-Bedia M., Vella, D. (2017). «Несмачивающие капли на границах раздела жидкостей: от жидких шариков до капель Лейденфроста». Soft Matter . 13 (31): 5250–5260. arXiv : 1706.03959 . Bibcode : 2017SMat...13.5250W. doi : 10.1039/C7SM00990A. PMID  28644495. S2CID  32825677.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  9. ^ де Женн, Пьер-Жиль; Брошар-Вайарт, Франсуаза; Кере, Дэвид (2004). Капиллярность и явления смачивания | СпрингерЛинк . дои : 10.1007/978-0-387-21656-0. ISBN 978-1-4419-1833-8.
  10. ^ Супакар, Т. (2017). «Динамика удара капель, покрытых частицами». Physical Review E. 95 ( 1): 013106. Bibcode : 2017PhRvE..95a3106S. doi : 10.1103/physreve.95.013106. PMID  28208334.
  11. ^ Ли, Сяогуан (李晓光); Ван, Ици (王义琪); Хуан, Цзюньчао (黄俊超); Ян, Яо (杨瑶); Ван, Ренсянь (王仁贤); Гэн, Синго (耿兴国); Цзан, Дуян (臧渡洋) (25 декабря 2017 г.). «Монослойный жидкий мрамор, покрытый наночастицами, полученный из золь-гель покрытия». Письма по прикладной физике . 111 (26): 261604. Бибкод : 2017ApPhL.111z1604L. дои : 10.1063/1.5010725. ISSN  0003-6951.
  12. ^ Фуллартон, Клэр; Дрейпер, Томас С.; Филлипс, Нил; Мейн, Ричард; Костелло, Бен П. Дж. де Лейси; Адамацкий, Эндрю (2018-02-06). «Исследования испарения, времени жизни и надежности жидких шариков для вычислений на основе столкновений» (PDF) . Ленгмюр . 34 (7): 2573–2580. doi :10.1021/acs.langmuir.7b04196. PMID  29359941.
  13. ^ Ooi, Chin Hong; Bormashenko, Edward; Nguyen, Anh V.; Evans, Geoffrey M.; Dao, Dzung V.; Nguyen, Nam-Trung (2016-06-21). "Испарение бинарной смеси этанола и воды с сидячими жидкими шариками". Langmuir . 32 (24): 6097–6104. doi :10.1021/acs.langmuir.6b01272. hdl : 10072/142813 . ISSN  0743-7463. PMID  27230102.
  14. ^ Дандан, Мерве; Эрбиль, Х. Йилдирим (21 июля 2009 г.). «Скорость испарения жидких графитовых шариков: сравнение с каплями воды». Langmuir . 25 (14): 8362–8367. doi :10.1021/la900729d. ISSN  0743-7463. PMID  19499944.
  15. ^ Karokine, Nikita; Anyfantakis, Manos; Morel, Mathieu; Rudiuk, Sergii; Bickel, Thomas; Baigl, Damien (5 сентября 2016 г.). «Транспортировка жидкого мрамора под действием света с поверхностными потоками и против них» (PDF) . Angewandte Chemie International Edition . 55 (37): 11183–11187. doi :10.1002/anie.201603639. PMID  27381297.
  16. ^ Чжао, Янь; Фан, Цзянь; Ван, Хунся; Ван, Сюнгай; Линь, Тонг (9 февраля 2010 г.). «Магнитные жидкие шарики: манипулирование жидкими каплями с использованием высокогидрофобных наночастиц Fe3O4». Advanced Materials . 22 (6): 707–710. Bibcode :2010AdM....22..707Z. doi :10.1002/adma.200902512. PMID  20217774. S2CID  205234566.
  17. ^ Арбатан, Тина; Ли, Лизи; Тянь, Цзюньфэй; Шэнь, Вэй (11 января 2012 г.). «Жидкие шарики как микробиореакторы для быстрого определения группы крови». Advanced Healthcare Materials . 1 (1): 80–83. doi : 10.1002/adhm.201100016 . PMID  23184689.
  18. ^ Сарви, Фатемех; Джейн, Каника; Арбатан, Тина; Верма, Пол Дж.; Хуриган, Керри; Томпсон, Марк К.; Шен, Вэй; Чан, Пегги PY (7 января 2015 г.). «Кардиогенез эмбриональных стволовых клеток с использованием микробиореактора на основе жидкого мрамора». Advanced Healthcare Materials . 4 (1): 77–86. doi :10.1002/adhm.201400138. PMID  24818841. S2CID  27631842.
  19. ^ Бланшетт, Франсуа; Бигиони, Терри П. (1 апреля 2006 г.). «Частичное слияние капель на границах раздела жидкостей». Nature Physics . 2 (4): 254–257. Bibcode :2006NatPh...2..254B. doi : 10.1038/nphys268 .
  20. ^ Тороддсен, СТ; Такехара, К. (июнь 2000 г.). «Каскад коалесценции капли». Physics of Fluids . 12 (6): 1265–1267. Bibcode :2000PhFl...12.1265T. doi :10.1063/1.870380. hdl : 2142/112637 .
  21. ^ Клюжин, Иван С.; Ленна, Федерико; Редер, Брэндон; Векслер, Адам; Поллак, Джеральд Х. (11 ноября 2010 г.). «Сохраняющиеся капли воды на поверхности воды». Журнал физической химии B. 114 ( 44): 14020–14027. doi :10.1021/jp106899k. PMC 3208511. PMID  20961076 . 
  22. ^ Джери, Микела; Кешаварц, Баванд; МакКинли, Гарет Х.; Буш, Джон ВМ (25 декабря 2017 г.). «Термическая задержка коалесценции капель». Журнал механики жидкости . 833 : R3. Bibcode : 2017JFM...833R...3G. doi : 10.1017/jfm.2017.686 . hdl : 1721.1/112194 .
  23. ^ Лю, Ян; Чжан, Синью; Пойраз, Сельчук; Чжан, Чао; Синь, Джон (15 марта 2018 г.). «Одношаговый синтез многофункциональных гибридных углеродных нанопроводов из оксида цинка и железа методом химического слияния для суперконденсаторов и водных мраморов на границе раздела». ChemNanoMat . 4 (6): 546–556. doi :10.1002/cnma.201800075. hdl :10397/78424.