工程师们开发了能够主动控制流体或颗粒移动的表面

利用只有几微米宽的凸起或脊状微纹理表面,工程师们已经开发出一种制造表面的新方法,可以主动控制流体或颗粒在表面上的移动。

麻省理工学院和沙特阿拉伯的研究人员开发了一种制造表面的新方法,这种方法可以主动控制流体或颗粒在表面上的移动。这项工作可能会使新型生物医学或微流体设备,或太阳能电池板能够自动清除自身的灰尘和沙砾。

大多数表面是被动的。麻省理工学院机械工程副教授Kripa Varanasi说,他在《应用物理快报》上发表了一篇描述新系统的论文。它们依靠重力或其他力来移动流体或粒子。

瓦拉纳西的研究小组决定利用外部磁场,比如磁场,对在表面上移动的粒子或液滴的行为进行精确控制,从而使表面活跃起来。

该系统利用一个只有几微米宽的带有凸起或脊状突起的微纹理表面,然后将其浸渍在一种可以操纵的液体中。例如,一种注入了微小磁性颗粒或铁磁流体的油,通过在其表面施加磁场,可以对其进行推拉。当水滴或微小颗粒被放置在表面时,一层薄薄的液体覆盖在它们上面,形成了一层磁性斗篷。

观察一颗水滴被一个活动物体拉过。由麻省理工学院研究人员设计的表面。视频:梅勒妮Gonick /麻省理工学院

当薄的磁化涂层通过表面被磁性牵引时,它实际上可以拉动液滴或粒子。铁磁流体中直径约10纳米的微小铁磁颗粒可以在需要时进行精确控制。例如,在微流体装置中,通过混合各种试剂来测试生物或化学样品。与传统微流体的固定通道不同,这种表面可以具有虚拟特性。可以随意重新配置的通道。

虽然其他研究人员已经开发出利用磁性移动粒子或流体的系统,但这需要移动的材料具有磁性,需要非常强的磁场来移动它们。这种新系统产生了一种超脂的表面,让液体和颗粒在几乎没有摩擦的情况下滑动,移动这些物质所需的力要小得多。这使我们能够用小的作用力获得高速,这篇论文的第一作者,麻省理工学院的研究生卡里姆·哈利勒说。

他说,这种新方法可以用于一系列的应用:例如,太阳能电池板和太阳能聚光系统中使用的镜子,当灰尘、水分或其他材料在其表面堆积时,它们的效率会迅速下降很大一部分。但是如果在表面涂上这种活性材料,一个短暂的磁脉冲就可以把材料扫走。

污垢是这类镜子的一个大问题。瓦拉纳西说。数据显示,工作效率每周会下降近1%。

但目前,即使是在沙漠地区,对付这种污垢的唯一方法就是用水管把这些阵列往下浇水,这是一种劳动和用水密集型的方法。研究人员说,这种新方法可以使清洗过程自动化,而且不用水。

在沙漠环境中,每天都有粉尘。合著者、沙特阿拉伯法赫德国王石油和矿产大学(KFUPM)的努曼·Abu-Dheir说。灰尘问题使得太阳能电池板的使用效率低于北美和欧洲。我们需要一种方法来减少灰尘的积聚。

新的活性表面系统的一个优点是它能有效地处理各种表面污染物:你可以推动灰尘或液体,许多表面材料,无论它们的性质如何,瓦拉纳西说。

麻省理工学院博士后赛耶德·马哈茂迪是这篇论文的合著者之一,他指出电场不能渗透到导电液体中,比如生物液体,因此传统的系统无法操纵它们。但他说,在这个系统中,电导率并不重要。

此外,这种方法对物质的移动提供了很大的控制。本“;最活跃的领域;如电场、磁场、声场等;已被用来操纵材料,哈利勒说。但你很少看到表面本身与表面上的材料发生积极的相互作用。他说,这使得精度大大提高。

虽然最初的演示使用了磁性流体,但研究小组表示,同样的原理也可以应用于其他力来操纵这种材料,比如电场或温差。

没有参与这项工作的西北大学机械工程教授尼莱什·帕坦卡尔说,这项研究为基于水滴的微流体平台引入了一种新的方法,这种平台在包括生物技术在内的许多领域都有大量应用。他补充说,这项工作巧妙地结合了低滞后液滴运动和低磁场驱动的液滴推进,以实现令人印象深刻的能力。

这项工作得到了MIT-KFUPM清洁水和清洁能源中心的支持。

出版:Karim S. Khalil,等人,活性表面:用于液滴主动操纵的铁流浸渍表面达成。理论物理。Lett. 105,041604, 2014;http://dx.doi.org/10.1063/1.4891439

图片:麻省理工学院新闻,由研究人员提供