物理科技生物学-PHYICA

ゆきこ水滴在凝胶表面表现出大胆的壮举

物理学 2022-08-01 23:59:08

洛桑联邦理工学院 马丁·考斯,2018年皮亚杰科学奖

信用:DR 欢迎来到柔软衬底的神奇世界

这些材料是由硅胶制成的,有着和陶土一样的质地——但是没有美味的味道

它们被广泛应用,特别是在制药行业,因为它们的生物相容性和抗粘附性使它们能够抵抗腐蚀和细菌污染

这些基底非常软,以至于当放置在它们的表面上时,它们可以通过液滴边缘处出现的毛细作用力而变形(可逆地)

然而,液滴在这些表面上移动非常缓慢;为了流动,液滴必须使基底动态变形,并克服由基底的粘弹性产生的阻力

放置在垂直放置的基底上的毫米大小的液滴将以每秒几百纳米到几十微米之间的速度流动

换句话说,液滴仅移动一米就需要三个小时!这种减速效应被称为粘弹性制动,是更广泛使用软基材的一大障碍,尤其是在制造业

工程学院EPFL软界面工程力学(EMSI)实验室的一组科学家已经表明,粘弹性制动可以通过在基底表面放置微小的柱子来克服

更重要的是,科学家们第一次能够观察到复杂几何形状中流体和软基底之间的接触

他们的发现刚刚在PNAS发表

新几何 EPFL科学家采用了一种已经广泛应用于润湿过程的方法:改变基底的表面纹理,使其变得超疏水

更具体地说,他们用100米高、100米宽的小柱子覆盖凝胶表面,这样凝胶上的液滴就只能停留在柱子顶端——就像一个冒失鬼在钉床上行走一样

通过共焦显微镜观察液滴,科学家们发现当液滴沿着柱子移动时,柱子会变形

此外,固体变形的大小几乎与在平坦的凝胶表面获得的相同,这意味着液滴实际上被数百个微小的柱子挡住了

即使变形的大小如此接近,水滴移动的速度与它们在坚硬表面上移动的速度相同

“这些改变的结构‘扼杀’了粘弹性制动效应,尽管流体和固体之间有相当大的接触面积,”该研究的作者之一马丁·考克斯(Martin Coux)说,他和教授一起

约翰·科林斯基

“由于流体和固体之间的接触点具有独特的几何形状,略微高出基底表面,液滴采用了它们通常在柔软表面上不能采用的构型

这使得它们沿着基底流动的速度和在坚硬的表面上一样快

“通过使用EMSI的高速显微镜,科学家们能够观察和理解这个以前未知的基础物理现象

值得指出的是,所有这些都发生在微米尺度上(固体变形量级为1-100米)

“由于过去十年来观察技术的进步,科学家现在可以看到流体与软基底接触时发生的变形——不仅是静态的(如液滴静止时),而且是动态的,如液滴在表面流动时,”Coux说。

这一新能力推动了流体力学领域的物理学家,加速了他们对软基底和流体之间弹性毛细管相互作用的理解,并使EPFL科学家走上了他们突破性发现的道路

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