Tekuté kuličky - Liquid marbles

20 μL tekutého mramoru potaženého teflonovým práškem

Tekuté kuličky jsou nepřilnavé kapičky (obvykle vodný ) zabaleno mikro- nebo nano-metricky zmenšen hydrofobní, koloidní částice (Teflon, polyethylen, lykopodný prášek, saze, atd.); představující platformu pro rozmanitost chemických a biologických aplikací.[1][2][3] Tekuté kuličky se také vyskytují přirozeně; mšice převést kapičky medovice na kuličky.[4] Na kapalné kuličky lze převést různé neorganické a organické kapaliny.[3][5][6] Tekuté kuličky vykazují elastické vlastnosti a nikoli splývají při odrazu nebo lehkém stisknutí.[6] Kapalné kuličky ukazují potenciál jako mikro-reaktory, mikroobaly pro pěstování mikroorganismů a buňky, mikro-fluidní zařízení, a dokonce byly použity v nekonvenční výpočetní technika.[5][6][7] Tekuté kuličky zůstávají stabilní na pevných a kapalných površích.[1][8] Byla zaznamenána statika a dynamika válcování a odrážení tekutých kuliček.[9][10] Tekuté kuličky potažené poly-disperzní[6] a mono-disperzní byly hlášeny částice.[11] Tekuté kuličky nejsou hermeticky pokryty pevnými částicemi, ale jsou spojeny s plynnou fází. Kinetika vypařování tekutých kuliček bylo vyšetřováno.[12][13][14]

Mezifázové vodní kuličky

Tekuté kuličky poprvé uvedly P. Aussillous a D. Quere[1] v roce 2001, který popsal novou metodu konstrukce přenosného kapičky vody v atmosférickém prostředí s hydrofobní na jejich povrchu, aby se zabránilo kontaktu mezi vodou a pevnou zemí (obrázek 1). Tekuté kuličky poskytují nový přístup k přepravě kapalné hmoty na pevném povrchu, který dostatečně přeměňuje nepohodlné skleněné nádoby na flexibilní, uživatelem specifikovaný hydrofobní povlak složený z prášků hydrofobních materiálů. Od té doby se aplikace kapalných kuliček v bezztrátové hromadné dopravě, mikrofluidika a mikroreaktory byly rozsáhle vyšetřovány.[15][16][17][18] Nicméně, tekuté kuličky odrážejí pouze chování vody na rozhraní pevná látka-vzduch, zatímco neexistuje žádná zpráva o chování vody na rozhraní kapalina-kapalina v důsledku takzvaného fenoménu koalescenční kaskády.

Obrázek 1. Tekutý mramor sedící na skleněném sklíčku.

Když je kapička vody v kontaktu s rezervoárem vody, rychle se oddělí od rezervoáru a vytvoří menší dceřinou kapičku, zatímco tato dceřiná kapička bude i nadále procházet podobným procesem odštěpování kontaktem, až bude dokončena srůstání do rezervoáru se kombinace nebo souhrn těchto sebepodobných koalescenčních procesů nazývá koalescenční kaskáda.[19] Základní mechanismus koalescenční kaskády byl podrobně studován, ale došlo pouze k pokusu o jeho ovládání a využití.[20][21][22] Donedávna Liu a kol. vyplnil tuto prázdnotu návrhem nové metody řízení koalescenční kaskády pomocí nanostrukturovaného povlaku na rozhraní kapalina-kapalina - mezifázové kapalné kuličky.[23]

Obrázek 2. Mezifázový vodní mramor sedící na rozhraní hexan-voda.

Podobně jako tekuté kuličky na rozhraní pevné látky a vzduchu jsou mezifázové tekuté kuličky konstruovány na hexan /voda rozhraní využívající vodní kapičky s povrchovým povlakem složeným z nanoměřítku materiály se speciálními smáčivost (Obrázek 2). Aby se dosáhlo mezifázových vodních kuliček na rozhraní hexan / voda, měla by být velikost jednotlivých částic povrchové potahové vrstvy co nejmenší, aby bylo možné minimalizovat kontaktní linii mezi částicemi a zásobníkem vody; speciální smáčivost se smíšeným hydrofobicita a hydrofilnost je také výhodné pro tvorbu mezifázového vodního mramoru. Mezifázový vodní mramor lze vyrobit nejprve potažením vodní kapky nanomateriály se speciální smáčitelností, např. hybridní uhlíkové nanodráty, oxid grafenu. Poté sekundární nátěrová vrstva polyvinylidenfluorid (PVDF) se aplikuje na potaženou kapičku vody. Dvojnásobně potažená kapička vody se poté vlije do směsi hexan / voda a nakonec se usadí na rozhraní hexan / voda za vzniku mezifázového vodního mramoru. Během tohoto procesu PVDF povlak rychle difundoval do hexanu, aby se vyrovnala hydrofobní interakce mezi hexanem a vodní kapkou, zatímco nanomateriály se rychle samy shromáždily do nanostrukturované ochranné vrstvy na povrchu kapičky skrz Marangoniho efekt.

Mezifázový vodní mramor může zcela odolat srůstání kaskáda a existují téměř trvale na rozhraní hexan / voda, za předpokladu, že hexanová fáze není vyčerpána vypařování. Mezifázové vodní kuličky mohou také realizovat řadu pohybů reagujících na podněty integrací funkčních materiálů do povrchové potahové vrstvy. Vzhledem k jejich jedinečnosti jak ve formě, tak v chování se předpokládá, že mezifázové vodní kuličky mají pozoruhodné aplikace v mikrofluidika, mikroreaktory a hromadná doprava.

Viz také

Reference

  1. ^ A b C Aussillous, Pascale; Quéré, David (2001). "Tekuté kuličky". Příroda. 411 (6840): 924–7. doi:10.1038/35082026. PMID  11418851.
  2. ^ Quéré, David; Aussillous, Pascale (2006). "Vlastnosti tekutých kuliček". Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 462 (2067): 973. Bibcode:2006RSPSA.462..973A. doi:10.1098 / rspa.2005.1581.
  3. ^ A b McHale, G; Newton, M. I (2015). „Tekuté kuličky: aktuální kontext v měkké hmotě a nedávný pokrok“. Měkká hmota. 11 (13): 2530–46. Bibcode:2015SMat ... 11,2530 mil. doi:10.1039 / C5SM00084J. PMID  25723648.
  4. ^ Pike, N; Richard, D; Foster, W; Mahadevan, L (2002). „Jak mšice ztrácejí kuličky“. Sborník Královské společnosti B: Biologické vědy. 269 (1497): 1211–5. doi:10.1098 / rspb.2002.1999. PMC  1691028. PMID  12065036.
  5. ^ A b Bormashenko, Edward; Bormashenko, Yelena; Grynyov, Roman; Aharoni, Hadas; Whyman, Gene; Binks, Bernard P (2015). “Self-propulsion of Liquid Marbles: Leidenfrost-like Levitation Driven by Marangoni Flow”. The Journal of Physical Chemistry C. 119 (18): 9910. arXiv:1502.04292. Bibcode:2015arXiv150204292B. doi:10.1021 / acs.jpcc.5b01307.
  6. ^ A b C d Bormashenko, Edward (2016). „Kapalné kuličky, elastické kapičky s nelepivým povrchem: Od minireaktorů po vlastní pohon“. Langmuir. 33 (3): 663–669. doi:10.1021 / acs.langmuir.6b03231. PMID  28114756.
  7. ^ Draper, Thomas C .; Fullarton, Claire; Phillips, Neil; Costello, Ben P.J. de Lacy; Adamatzky, Andrew (2017). "Brána interakce z tekutého mramoru pro výpočet na základě kolize". Materiály dnes. 20 (10): 561–568. arXiv:1708.04807. Bibcode:2017arXiv170804807D. doi:10.1016 / j.mattod.2017.09.004.
  8. ^ Wong, Cl.Y. H. M. Adda-Bedia M., Vella, D. (2017). „Nemáčivé kapky na rozhraní kapaliny: od kapalných kuliček po kapky Leidenfrost“. Měkká hmota. 13 (31): 5250–5260. arXiv:1706.03959. Bibcode:2017SMat ... 13,5250 W. doi:10.1039 / C7SM00990A. PMID  28644495.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  9. ^ de Gennes, Pierre-Gilles; Brochard-Wyart, Françoise; Quéré, David (2004). Jevy kapilárnosti a smáčení SpringerLink. doi:10.1007/978-0-387-21656-0. ISBN  978-1-4419-1833-8.
  10. ^ Supakar, T. (2017). "Dynamika nárazu kapiček potažených částicemi". Fyzický přehled E. 95 (1): 013106. Bibcode:2017PhRvE..95a3106S. doi:10.1103 / physreve.95.013106. PMID  28208334.
  11. ^ Li, Xiaoguang (李晓光); Wang, Yiqi (王义琪); Huang, Junchao (黄俊 超); Yang, Yao (杨 瑶); Wang, Renxian (王仁贤); Geng, Xingguo (耿兴国); Zang, Duyang (臧 渡 洋) (2017-12-25). „Monovrstevné nanočástice pokryté tekuté kuličky odvozené od sol-gel povlaku“. Aplikovaná fyzikální písmena. 111 (26): 261604. Bibcode:2017ApPhL.111z1604L. doi:10.1063/1.5010725. ISSN  0003-6951.
  12. ^ Fullarton, Claire; Draper, Thomas C .; Phillips, Neil; Mayne, Richard; Costello, Ben P. J. de Lacy; Adamatzky, Andrew (06.02.2018). „Studie odpařování, životnosti a robustnosti kapalných kuliček pro výpočet na základě kolize“ (PDF). Langmuir. 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). „Odpařování binárních směsí ethanol-voda, sedavé kapalné kuličky“. Langmuir. 32 (24): 6097–6104. doi:10.1021 / acs.langmuir. 6b01272. hdl:10072/142813. ISSN  0743-7463. PMID  27230102.
  14. ^ Dandan, Merve; Erbil, H. Yildirim (2009-07-21). "Rychlost odpařování grafitových kapalných kuliček: srovnání s vodními kapičkami". 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. září 2016). „Lehký transport tekutého mramoru sa proti povrchovým tokům“ (PDF). Angewandte Chemie International Edition. 55 (37): 11183–11187. doi:10,1002 / anie.201603639. PMID  27381297.
  16. ^ Zhao, Yan; Fang, Jian; Wang, Hongxia; Wang, Xungai; Lin, Tong (9. února 2010). „Magnetické tekuté kuličky: manipulace s kapalnými kapičkami pomocí vysoce hydrofobních nanočástic Fe3O4“. Pokročilé materiály. 22 (6): 707–710. doi:10.1002 / adma.200902512. PMID  20217774.
  17. ^ Arbatan, Tina; Li, Lizi; Tian, ​​Junfei; Shen, Wei (11. ledna 2012). "Kapalné kuličky jako mikro-bioreaktory pro rychlý typ krve". Pokročilé zdravotnické materiály. 1 (1): 80–83. doi:10.1002 / adhm.201100016. PMID  23184689.
  18. ^ Sarvi, Fatemeh; Jain, Kanika; Arbatan, Tina; Verma, Paul J .; Hourigan, Kerry; Thompson, Mark C .; Shen, Wei; Chan, Peggy P.Y. (7. ledna 2015). „Kardiogeneze embryonálních kmenových buněk pomocí mikro-bioreaktoru z tekutého mramoru“. Pokročilé zdravotnické materiály. 4 (1): 77–86. doi:10.1002 / adhm.201400138. PMID  24818841.
  19. ^ Blanchette, François; Bigioni, Terry P. (1. dubna 2006). „Částečná koalescence kapek na rozhraní kapaliny“. Fyzika přírody. 2 (4): 254–257. Bibcode:2006NatPh ... 2..254B. doi:10.1038 / nphys268.
  20. ^ Thoroddsen, S. T .; Takehara, K. (červen 2000). "Kaskáda koalescence kapky". Fyzika tekutin. 12 (6): 1265–1267. Bibcode:2000PhFl ... 12.1265T. doi:10.1063/1.870380.
  21. ^ Klyuzhin, Ivan S .; Lenna, Federico; Roeder, Brandon; Wexler, Adam; Pollack, Gerald H (11. listopadu 2010). "Přetrvávající kapičky vody na vodních plochách". Journal of Physical Chemistry B. 114 (44): 14020–14027. doi:10.1021 / jp106899k. PMC  3208511. PMID  20961076.
  22. ^ Geri, Michela; Keshavarz, Bavand; McKinley, Gareth H .; Bush, John W. M. (25. prosince 2017). "Tepelné zpoždění koalescence kapek". Journal of Fluid Mechanics. 833: R3. Bibcode:2017JFM ... 833R ... 3G. doi:10.1017 / jfm.2017.686.
  23. ^ Liu, Yang; Zhang, Xinyu; Poyraz, Selcuk; Zhang, Chao; Xin, John (15. března 2018). „Jednostupňová syntéza multifunkčních hybridních uhlíkových nanodrátů zinek-železo-oxid pomocí chemické fúze pro superkondenzátory a mezifázové vodní kuličky“. ChemNanoMat. 4 (6): 546–556. doi:10.1002 / cnma.201800075. hdl:10397/78424.