«Большинство поверхностей пассивны, – говорит Крипа Варанаси, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института и старший автор статьи с описанием новой системы в журнале Applied Physics Letters. "Они полагаются на гравитацию или другие силы, чтобы перемещать жидкости или частицы."
Команда Варанаси решила использовать внешние поля, такие как магнитные поля, чтобы сделать поверхности активными, обеспечивая точный контроль над поведением частиц или капель, движущихся по ним.

В системе используется микротекстурированная поверхность с выпуклостями или выступами всего в несколько микрометров в поперечнике, которая затем пропитывается жидкостью, с которой можно манипулировать, например, маслом, наполненным крошечными магнитными частицами, или феррожидкостью, которую можно толкать. и вытягивается путем приложения магнитного поля к поверхности. Когда на поверхность попадают капли воды или крошечные частицы, их покрывает тонкий слой жидкости, образуя магнитный покров.
Затем тонкий намагниченный плащ может фактически тянуть каплю или частицу, когда сам слой магнитно притягивается к поверхности.

Крошечные ферромагнитные частицы диаметром около 10 нанометров в феррожидкости могут обеспечить прецизионный контроль, когда это необходимо – например, в микрожидкостном устройстве, используемом для тестирования биологических или химических образцов путем смешивания их с различными реагентами. В отличие от фиксированных каналов традиционной микрофлюидики, такие поверхности могут иметь «виртуальные» каналы, которые можно изменять по желанию.
В то время как другие исследователи разработали системы, которые используют магнетизм для перемещения частиц или жидкостей, они требуют, чтобы перемещаемый материал был магнитным, а для их перемещения необходимы очень сильные магнитные поля.

Новая система, которая создает сверхскользкую поверхность, которая позволяет жидкостям и частицам скользить практически без трения, требует гораздо меньше усилий для перемещения этих материалов. «Это позволяет нам достигать высоких скоростей с небольшими приложенными силами», – говорит аспирант Массачусетского технологического института Карим Халил, ведущий автор статьи.

Новый подход, по его словам, может быть полезен для целого ряда приложений: например, солнечные панели и зеркала, используемые в системах, концентрирующих солнечную энергию, могут быстро потерять значительную часть своей эффективности, когда на них скапливается пыль, влага или другие материалы. поверхности. Но если бы он был покрыт таким активным поверхностным материалом, можно было бы использовать короткий магнитный импульс для удаления материала.

«Загрязнение таких зеркал – большая проблема», – говорит Варанаси. "Данные показывают потерю почти 1 процента эффективности в неделю."
Но в настоящее время, даже в пустынных местах, единственный способ противодействовать этому загрязнению – это промыть массивы из шланга, что требует больших затрат труда и воды. По словам исследователей, новый подход может привести к созданию систем, которые сделают процесс очистки автоматическим и безводным.
«В пустыне пыль присутствует ежедневно», – говорит соавтор Нуман Абу-Дхейр из Университета нефти и полезных ископаемых имени короля Фахда (KFUPM) в Саудовской Аравии. "Проблема пыли в основном делает использование солнечных панелей менее эффективным, чем в Северной Америке или Европе.

Нам нужен способ уменьшить накопление пыли."
Одним из преимуществ новой системы активных поверхностей является ее эффективность в отношении широкого спектра поверхностных загрязнителей: «Вы хотите иметь возможность перемещать пыль или жидкость, многие материалы на поверхности, независимо от их свойств», – говорит Варанаси.

Постдок из Массачусетского технологического института Сейед Махмуди, соавтор статьи, отмечает, что электрические поля не могут проникать в проводящие жидкости, такие как биологические жидкости, поэтому обычные системы не смогут ими манипулировать. Но с этой системой, по его словам, «электропроводность не важна."
Кроме того, этот подход дает большой контроль над движением материала. «Активные поля – такие как электрические, магнитные и акустические поля – использовались для манипулирования материалами», – говорит Халил. «Но вы редко видели, чтобы сама поверхность активно взаимодействовала с материалом на ней», – говорит он, что позволяет добиться гораздо большей точности.

Хотя в этой первоначальной демонстрации использовалась магнитная жидкость, команда говорит, что тот же принцип может быть применен с использованием других сил для управления материалом, таких как электрические поля или разность температур.
Нилеш Патанкар, профессор машиностроения Северо-Западного университета, который не принимал участия в этой работе, говорит, что это исследование «представляет новый класс подходов для микрожидкостных платформ на основе капель, которые находят множество применений в различных областях, включая биотехнологию.Он добавляет: «Эта работа умело сочетает в себе движение капли с низким гистерезисом и движение капли с низким магнитным полем для достижения впечатляющих возможностей."

Работа поддержана Центром чистой воды и чистой энергии MIT-KFUPM.