By Dataphysics Instruments GmbH

El transporte direccional de líquidos y burbujas desempeña un papel importante en los campos de manejo de fluidos, dispositivos microfluídicos, recolección de gases inflamables bajo el agua, entre otros. Inspiradas en las plantas jarra de Nepenthes, recientemente se desarrollaron superficies porosas impregnadas de líquido resbaladizo (SLIPSs) para el transporte direccional de líquidos y burbujas. Sin embargo, una desventaja de las SLIPSs tradicionales es que pierden su excelente repelencia a líquidos una vez que los lubricantes líquidos se eliminan o contaminan. Por lo tanto, para satisfacer mejor las demandas de las aplicaciones prácticas, se necesita una nueva generación de superficies anisotrópicas (ASs) con alta estabilidad para el transporte direccional de líquidos y burbujas.

Las superficies injertadas con cepillos de polidimetilsiloxano (PDMS) son candidatas ideales para esta aplicación, ya que muestran una baja histéresis del ángulo de contacto (CAH) para varios líquidos (tanto agua como aceites) y poseen una alta estabilidad. Recientemente, Wang y sus colaboradores fabricaron superficies resbaladizas anisotrópicas injertadas covalentemente (AGSs) mediante el injerto de cepillos de PDMS en superficies anisotrópicas. Estas superficies mostraron un comportamiento de deslizamiento omnifóbico anisotrópico sobresaliente, facilitando el transporte de gotas (en el aire) y burbujas (bajo el agua) (Imagen 1).

Imagen 1: Preparación de superficies resbaladizas anisotrópicas injertadas covalentemente (AGSs) mediante el injerto de PDMS en superficies anisotrópicas (ASs)

La humectabilidad y la propiedad resbaladiza de las superficies resbaladizas injertadas anisotrópicas (AGSs) con diferentes espacios (tamaños de solapamiento) entre los microcanales fueron estudiadas. La Imagen 2A muestra que, al aumentar el espacio entre los microcanales, los ángulos de contacto del agua (CAs) en la dirección perpendicular (CA⊥) primero aumentaron y luego disminuyeron ligeramente. Sin embargo, los CAs en la dirección paralela (CA//) son casi constantes. El CA⊥ y el CA// de las burbujas de aire sobre las AGSs mostraron una tendencia similar a la de las gotas de agua (Imagen 2B).

Imagen 2: Cambios en los CAs en las AGSs con el aumento del tamaño de solapamiento, para gotas de agua de 5 μL en aire (A) y burbujas de aire de 5 μL bajo el agua (B). Cambios en los SAs en las AGSs con el aumento del tamaño de solapamiento, para (C) gotas de agua de 5 μL en aire y (D) burbujas de aire de 5 μL bajo el agua.

Ellos atribuyeron los ángulos de contacto (CAs) más grandes a la superficie más rugosa con micro/nanostructuras, y las diferentes barreras de energía en las dos direcciones resultaron en valores más grandes para CA⊥ en comparación con CA//. Además, propusieron que la estructura de la superficie no impide la expansión de las gotas de agua y burbujas de aire en la dirección paralela, lo que lleva a que el CA// de las gotas de agua y burbujas de aire en diferentes AGSs permanezca casi sin cambios. 

Además, como muestran las imágenes 2C y 2D, las gotas y burbujas pueden deslizarse bien sobre las AGSs probadas, lo que indica que los cepillos de PDMS, que tienen características líquidas, confieren resbaladicidad a todas las AGSs. Los valores de SA// son menores que los valores de SA⊥ para tanto las gotas como las burbujas, lo que podría ser causado por las diferencias en la barrera de energía de movimiento en la línea de contacto de tres fases (TCL) mientras las gotas o burbujas se deslizan en diferentes orientaciones hacia la estructura de solapamiento.

También se estudió la fuerza adhesiva dinámica entre burbujas y superficies anisotrópicas (AS) / superficies resbaladizas injertadas anisotrópicas (AGS). Los cepillos de PDMS mejoraron la adhesión entre las burbujas y la superficie (de 138.6±11.2 μN a 239.3±13.6 μN), lo que aumentó la capacidad de almacenamiento de burbujas.

La imagen 3 muestra diferentes fuerzas en un estado de equilibrio donde los cepillos de PDMS aumentaron la Fadhesión y disminuyeron la fresistencia, lo que llevó al crecimiento y coalescencia de las burbujas. Con el aumento del volumen de la burbuja, Fdriven aumentó progresivamente y superó a fresistencia debido al aumento de Fadhesión y al volumen de la burbuja, generando así burbujas deslizándose sobre las AGSs. Sin embargo, la baja Fadhesión y la alta fresistencia en las AGs resultaron en una liberación de burbujas en lugar de burbujas deslizándose. 

Imagen 3: Análisis de Fuerzas de las Burbujas sobre AGS y AS

Además, los ángulos de deslizamiento (SAs) de las gotas y burbujas de aire se mantuvieron sin cambios incluso después de estar expuestos al aire o sumergidos bajo el agua durante 240 días, lo que indica una notable estabilidad a largo plazo. Las AGSs mostraron una buena resbaladicidad en soluciones con un pH de 3 a 11 y presentaron una excelente durabilidad frente a líquidos orgánicos. En general, los autores diseñaron AGSs omnifóbicas con una estabilidad altamente superior al injertar cepillos moleculares de PDMS de tipo líquido en PDMS. Las AGSs presentaron una estabilidad excelente para el transporte direccional de gotas y burbujas de aire, superando drásticamente a las SLIPSs tradicionales. Se puede suponer un gran interés de investigación en el diseño de superficies resbaladizas versátiles para el transporte direccional de gotas líquidas y burbujas de aire en el futuro.

Para este estudio se utilizó un sistema de análisis de contornos ópticos (OCA) y dispositivos de medición de ángulo de contacto dinámico, así como un tensiómetro DCAT (DataPhysics Instruments GmbH, Alemania).

Para más información, consulte el siguiente artículo: "Superficies Resbaladizas Omnifóbicas Anisotrópicas Injertadas Covalentemente para el Transporte Direccional de Gotas y Burbujas"; Xuan Wang, Zubin Wang, Liping Heng y Lei Jiang; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1902686; DOI: 10.1002/adfm.201902686.

Medición de Fuerza Adhesiva de Burbujas de Gas Bajo el Agua con DCAT

Las fuerzas adhesivas de líquidos en fase de aire o de burbujas de gas en fase líquida pueden ser analizadas con dispositivos de medición de ángulo de contacto dinámico y el tensiómetro DCAT 25 con actualización de video.

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Este sistema combina una medición de fuerza para determinar la fuerza de adhesión y un sistema óptico para determinar el área de contacto entre la fase líquida/gas y la fase sólida para cada fuerza medida. De este modo, se puede determinar una fuerza por unidad de área.

El procedimiento de medición implica empujar una burbuja de líquido o gas sobre un sustrato sólido bajo aire o líquido y luego extraerla nuevamente.

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