Жидкие шарики - Liquid marbles

20 мкл жидкого мрамора, покрытого тефлоновым порошком

Жидкие шарики являются антипригарными каплями (обычно водный ) завернутый микро- или же нанометрически масштабированный гидрофобный, коллоидные частицы (Тефлон, полиэтилен, ликоподий порошок, черный карбон, так далее.); представляет собой платформу для разнообразных химических и биологических приложений.[1][2][3] Жидкие шарики также встречаются в природе; тля превращают капельки пади в шарики.[4] В жидкие шарики можно превратить множество неорганических и органических жидкостей.[3][5][6] Жидкие шарики обладают упругими свойствами и не объединяться при отскоке или легком нажатии.[6] Жидкие шарики демонстрируют потенциал в качестве микрореакторов, микроконтейнеров для выращивания микроорганизмов и клетки, микрогидравлические устройства и даже использовались в нетрадиционные вычисления.[5][6][7] Жидкие шарики остаются стабильными на твердых и жидких поверхностях.[1][8] Сообщается о статике и динамике качения и подпрыгивания жидких мраморов.[9][10] Жидкие шарики, покрытые полидисперсный[6] и монодисперсный о частицах не сообщалось.[11] Жидкие шарики не покрыты твердыми частицами герметично, а связаны с газовой фазой. Кинетика испарение жидких шариков.[12][13][14]

Межфазные водяные шарики

О жидких шариках впервые сообщили П. Осиллус и Д. Кере.[1] в 2001 году, который описал новый метод построения портативных капли воды в атмосферной среде с гидрофобный покрытие на их поверхности, чтобы предотвратить контакт между водой и твердым грунтом (Рисунок 1). Жидкие шарики представляют собой новый подход к транспортировке жидкой массы по твердой поверхности, который в достаточной мере превращает неудобные стеклянные контейнеры в гибкое, определяемое пользователем гидрофобное покрытие, состоящее из порошков гидрофобных материалов. С тех пор применение жидкого мрамора в массовом транспорте без потерь, микрофлюидика и микрореакторы были всесторонне исследованы.[15][16][17][18] Тем не мение, жидкие шарики отражают только поведение воды на границе твердое тело-воздух, в то время как нет сообщений о поведении воды на границе раздела жидкость-жидкость в результате так называемого явления каскада коалесценции.

Рис. 1. Жидкий шарик на предметном стекле.

Когда капля воды контактирует с резервуаром для воды, она быстро отколется от резервуара и образует дочернюю каплю меньшего размера, в то время как эта дочерняя капля будет продолжать проходить аналогичный процесс контактно-защемления от расщепления до завершения слияние в резервуар комбинация или сводка этих самоподобных процессов коалесценции называется каскадом коалесценции.[19] Механизм, лежащий в основе каскада коалесценции, был подробно изучен, но была предпринята простая попытка контролировать и использовать его.[20][21][22] До недавнего времени Liu et al. заполнила эту пустоту, предложив новый метод управления каскадом коалесценции с помощью наноструктурированного покрытия на границе раздела жидкость-жидкость - жидких шариков на границе раздела фаз.[23]

Рис. 2. Водяной шарик на границе раздела фаз, расположенный на границе раздела гексан-вода.

Подобно жидким шарикам на границе твердое тело-воздух, межфазные жидкие шарики строятся на гексан /воды интерфейс с использованием капель воды с поверхностным покрытием, состоящим из наноразмер материалы со специальными смачиваемость (Фигура 2). Чтобы реализовать межфазные водяные шарики на границе раздела гексан / вода, размер отдельных частиц поверхностного слоя покрытия должен быть как можно меньше, чтобы можно было минимизировать линию контакта между частицами и резервуаром с водой; особая смачиваемость смешанными гидрофобность и гидрофильность также является предпочтительным для образования водного мрамора на границе раздела фаз. Водный мрамор на границе раздела фаз можно изготовить, сначала нанеся на каплю воды покрытие наноматериалы с особой смачиваемостью, например гибридные углеродные нанопроволоки, оксид графена. Затем наносится вторичный слой покрытия из поливинилиденфторид (PVDF) наносится на покрытую каплю воды. Капля воды с двойным покрытием затем заливается в смесь гексан / вода и в конечном итоге оседает на границе раздела гексан / вода, образуя межфазный водный шарик. Во время этого процесса покрытие PVDF быстро диффундировало в гексан для уравновешивания гидрофобного взаимодействия между гексаном и каплей воды, в то время как наноматериалы быстро самоорганизовывались в наноструктурированный защитный слой на поверхности капли через Эффект Марангони.

Межфазный водный мрамор может полностью противостоять слияние каскадом и почти постоянно существуют на границе раздела гексан / вода, при условии, что фаза гексана не обедняется испарение. Межфазные водяные шарики могут также реализовывать серию движений в ответ на стимулы, интегрируя функциональные материалы в поверхностный слой покрытия. Предполагается, что из-за их уникальности как по форме, так и по поведению, межфазные водяные шарики найдут замечательное применение в микрофлюидика, микрореакторы и общественный транспорт.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Ауссиллус, Паскаль; Кере, Дэвид (2001). «Жидкие шарики». Природа. 411 (6840): 924–7. Дои:10.1038/35082026. PMID  11418851.
  2. ^ Кере, Дэвид; Aussillous, Паскаль (2006). «Свойства жидких мраморов». Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 462 (2067): 973. Bibcode:2006RSPSA.462..973A. Дои:10.1098 / rspa.2005.1581.
  3. ^ а б Макхейл, Дж; Ньютон, М. I (2015). «Жидкие шарики: актуальный контекст в мягкой материи и недавний прогресс». Мягкая материя. 11 (13): 2530–46. Bibcode:2015SMat ... 11.2530M. Дои:10.1039 / C5SM00084J. PMID  25723648.
  4. ^ Щука, N; Ричард, D; Фостер, Вт; Махадеван, Л. (2002). «Как тля теряет мраморность». Труды Королевского общества B: биологические науки. 269 (1497): 1211–5. Дои:10.1098 / rspb.2002.1999. ЧВК  1691028. PMID  12065036.
  5. ^ а б Бормашенко, Эдуард; Бормашенко Елена; Грынев, Роман; Ахарони, Хадас; Уайман, Джин; Бинкс, Бернард П. (2015). "Самодвижение жидких шариков: левитация, подобная Лейденфросту, управляемая потоком Марангони". Журнал физической химии C. 119 (18): 9910. arXiv:1502.04292. Bibcode:2015arXiv150204292B. Дои:10.1021 / acs.jpcc.5b01307.
  6. ^ а б c d Бормашенко, Эдуард (2016). «Жидкие шарики, эластичные капли с антипригарным покрытием: от миниреакторов к самодвижению». Langmuir. 33 (3): 663–669. Дои:10.1021 / acs.langmuir.6b03231. PMID  28114756.
  7. ^ Draper, Thomas C .; Фуллартон, Клэр; Филлипс, Нил; Костелло, Бен П.Дж. де Лейси; Адамацкий, Эндрю (2017). «Взаимодействие с жидким мрамором для вычислений на основе столкновений». Материалы сегодня. 20 (10): 561–568. arXiv:1708.04807. Bibcode:2017arXiv170804807D. Дои:10.1016 / j.mattod.2017.09.004.
  8. ^ Вонг, Cl.Y. Х. М. Адда-Бедиа М., Велла Д. (2017). «Несмачивающие капли на границе раздела жидкостей: от жидких шариков до капель Лейденфроста». Мягкая материя. 13 (31): 5250–5260. arXiv:1706.03959. Bibcode:2017SMat ... 13,5 250 Вт. Дои:10.1039 / C7SM00990A. PMID  28644495.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  9. ^ де Женн, Пьер-Жиль; Брошар-Вяр, Франсуаза; Quéré, Дэвид (2004). Капиллярность и явления смачивания | SpringerLink. Дои:10.1007/978-0-387-21656-0. ISBN  978-1-4419-1833-8.
  10. ^ Супакар, Т. (2017). «Динамика удара капель, покрытых частицами». Физический обзор E. 95 (1): 013106. Bibcode:2017PhRvE..95a3106S. Дои: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, Renxian (王仁贤); Гэн, Синго (耿兴国); Занг, Дуян (臧 渡 洋) (2017-12-25). «Однослойные жидкие шарики, покрытые наночастицами, полученные из золь-гелевого покрытия». Письма по прикладной физике. 111 (26): 261604. Bibcode:2017АпФЛ.111з1604Л. Дои:10.1063/1.5010725. ISSN  0003-6951.
  12. ^ Фуллартон, Клэр; Draper, Thomas C .; Филлипс, Нил; Мэйн, Ричард; Костелло, Бен П. Дж. Де Лейси; Адамацки, Эндрю (06.02.2018). «Исследования испарения, срока службы и устойчивости жидких шариков для вычислений на основе столкновений» (PDF). Langmuir. 34 (7): 2573–2580. Дои:10.1021 / acs.langmuir.7b04196. PMID  29359941.
  13. ^ Оои, Чин Хонг; Бормашенко, Эдуард; Nguyen, Anh V .; Эванс, Джеффри М .; Dao, Dzung V .; Нгуен, Нам-Чунг (21.06.2016). «Испарение неподвижных жидких шариков бинарной смеси этанола и воды». Langmuir. 32 (24): 6097–6104. Дои: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 графитовых жидких шариков: сравнение с каплями воды». Langmuir. 25 (14): 8362–8367. Дои:10.1021 / la900729d. ISSN  0743-7463. PMID  19499944.
  15. ^ Карокин, Никита; Анифантакис, Манос; Морель, Матье; Рудюк, Сергей; Бикель, Томас; Байгл, Дэмиен (5 сентября 2016 г.). «Легкая транспортировка жидкого мрамора с поверхностными потоками и против них» (PDF). Angewandte Chemie International Edition. 55 (37): 11183–11187. Дои:10.1002 / anie.201603639. PMID  27381297.
  16. ^ Чжао, Ян; Фанг, Цзянь; Ван, Хунся; Ван, Сюнгай; Лин, Тонг (9 февраля 2010 г.). «Магнитные жидкие шарики: манипулирование жидкими каплями с помощью высокогидрофобных наночастиц Fe3O4». Современные материалы. 22 (6): 707–710. Дои:10.1002 / adma.200902512. PMID  20217774.
  17. ^ Арбатан, Тина; Ли, Лизи; Тиан, Цзюньфэй; Шен, Вэй (11 января 2012 г.). «Жидкие шарики как микробиореакторы для быстрого определения группы крови». Передовые медицинские материалы. 1 (1): 80–83. Дои:10.1002 / adhm.201100016. PMID  23184689.
  18. ^ Сарви, Фатемех; Джайн, Каника; Арбатан, Тина; Verma, Paul J .; Хуриган, Керри; Томпсон, Марк С .; Шэнь, Вэй; Чан, Пегги П. (7 января 2015 г.). «Кардиогенез эмбриональных стволовых клеток с жидким мраморным микробиореактором». Передовые медицинские материалы. 4 (1): 77–86. Дои:10.1002 / adhm.201400138. PMID  24818841.
  19. ^ Бланшетт, Франсуа; Бигиони, Терри П. (1 апреля 2006 г.). «Частичное слияние капель на границах раздела жидкостей». Природа Физика. 2 (4): 254–257. Bibcode:2006НатФ ... 2..254Б. Дои:10.1038 / nphys268.
  20. ^ Thoroddsen, S.T .; Такехара, К. (июнь 2000 г.). «Каскад сращивания капли». Физика жидкостей. 12 (6): 1265–1267. Bibcode:2000Фл ... 12.1265Т. Дои:10.1063/1.870380.
  21. ^ Клюжин, Иван С .; Ленна, Федерико; Рёдер, Брэндон; Векслер, Адам; Поллак, Джеральд Х (11 ноября 2010 г.). «Стойкие капли воды на поверхности воды». Журнал физической химии B. 114 (44): 14020–14027. Дои:10.1021 / jp106899k. ЧВК  3208511. PMID  20961076.
  22. ^ Джери, Микела; Кешаварц, Баванд; McKinley, Gareth H .; Буш, Джон В. М. (25 декабря 2017 г.). «Термическая задержка слияния капель». Журнал гидромеханики. 833: R3. Bibcode:2017JFM ... 833R ... 3G. Дои:10.1017 / jfm.2017.686.
  23. ^ Лю, Ян; Чжан, Синьюй; Пойраз, Сельчук; Чжан, Чао; Синь, Джон (15 марта 2018 г.). «Одностадийный синтез многофункциональных гибридных углеродных нанопроволок цинк-оксид железа-оксид путем химического синтеза для суперконденсаторов и межфазных водяных шариков». ChemNanoMat. 4 (6): 546–556. Дои:10.1002 / cnma.201800075. HDL:10397/78424.