Süper hidrofobik yüzeyin çok yönlü optimize edilmiş tasarımının tahmin edilmesi zor mu?
Malzeme biliminde, düşük yüzey gerilimli sıvıları güçlü bir şekilde iten yüzeyler "süper oleofobik" olarak sınıflandırılırken, yüksek yüzey gerilimli sıvı iticiler "süper hidrofobik" ve her iki özelliğe sahip yüzeyler "süper oleofobik" olarak sınıflandırılır. Tamamen hidrofobik ". Süper hidrofobik yüzey, birçok uygulamada yüzey tasarımının ön saflarında yer almaktadır. Yeni bir çalışmada, Birleşik Krallık ve Amerika Birleşik Devletleri Fizik Bölümü ve Procter and Gamble Co'daki J.R. Panter ve meslektaşları, sistematik olarak üç temel yüzey ıslatılabilirliği geliştiren bir hesaplama yöntemi geliştirdiler. Bunlar, temas açısı histerezisi, kritik basınç ve minimum enerji ıslatma bariyerini içerir.
Bu araştırmada bilim adamları nicel bir model oluşturdular ve mevcut modeldeki yanlış varsayımları düzelttiler. Bilim adamları, bu stratejinin membran damıtma ve dijital mikroakışkan uygulamalarındaki yapıları optimize etme yeteneğini göstermek için bu analizleri birleştirdi. Islatılabilirliğin antagonistik birleşmesi sayesinde bilim adamları, süperhidrofobik yüzeylerin tasarımını optimize etmek için çok seviyeli bir yöntem gerçekleştirdi ve bu da etkin optimizasyon hızını 10.000 kata kadar yükseltti. Bu araştırmanın sonuçları şimdi "Science Progress" de yayınlandı. Süperhidrofobik yüzey fiziksel mikro ve nano yapıya sahip olup, düşük yüzey gerilimli sıvıların (yağ ve alkol) buharla dolu yüzey yapısı üzerinde asılı kalmasını sağlar.
Bu sıvı dökülme yeteneği, düşük viskoz dirençli damlacıkların hareketliliğini geliştirebilir ve çok çeşitli uygulamalarda dönüşüm potansiyeline sahiptir. Bu teknolojiler arasında sürdürülebilir su arıtma teknolojileri, biyomedikal antibakteriyel stratejiler, parmak izi bırakmayan kaplama teknolojileri, gıda atığı azaltma ve küresel biyokimyasal teknolojiler bulunur.
(Daire kartı buraya eklendi, lütfen görüntülemek için Toutiao istemcisine gidin)Mikro işlemedeki atılımlar, üç boyutlu (3-D) baskı teknolojisi, akışkanlaştırılmış polimer mikropillar ve ışıkla oyma yöntemleri dahil olmak üzere, mikrometre ölçeğinde çözünürlükte karmaşık yapıların oluşturulmasına izin verdi. Bu çok yönlü teknolojilere rağmen, malzeme bilimcileri ve fizikçiler, pratik uygulamalarda en iyi performansı elde etmek için yüzey yapılarının nasıl hassas bir şekilde tasarlanacağını hala anlamaya çalışıyorlar.
Başarılı bir tamamen hidrofobik tasarım, aşağıdakileri içeren üç temel ıslatma özelliğine sahip olmalıdır: (1) maksimum sıvı akışkanlığı için düşük temas açısı, (2) kararlı süperoleofobik duruma sahip yüksek kritik basınç, (3) arızayı önlemek için yüksek enerji bariyeri . Yüzey tasarımının karmaşıklığından dolayı, bu temeli anlamak için hesaplamaları ve deneysel araştırmaları birleştirmek pahalı ve zaman alıcı olabilir. Mevcut araştırmada, süper toplam hidrofobik ıslatma özelliklerinin tasarlanması zorluğunun üstesinden gelinmiştir İlk olarak, yapısal parametrelerin tanımlanmış üç standart üzerindeki etkisini anlamak için bir hesaplama stratejisi tasarlanmıştır. Çok yönlü optimizasyonun önemini göstermek için, araştırmacılar iki ilgili örnek kullandılar: membran distilasyonu yoluyla su arıtma ve su damlası tabanlı dijital mikroakışkanlar.
Bilim adamları, aynı anda 10.000 kata kadar verimli bir şekilde optimize edebilen bir genetik algoritma geliştirdiler. Bu çok yönlü yöntem, yüzey tasarımı için devrim niteliğinde bir yöntem sağlamak için karmaşık yüzey mikro işleme teknolojisindeki en son yeniliklerle birleştirilebilir. Bilim adamları ilk önce tek sıralı yüzey yapısı boyunca ilerleyen ve gerileyen sıvı-buhar arayüzünü simüle ettiler ve ilgili temas açılarını ve temas açısı histerezini (CAH, yani ilerleyen ve azalan temas açıları arasındaki fark) elde ettiler. Değişken boyutlar bir kare dizide düzenlenmiştir ve histerezisin yeniden giriş geometrisi ve çift girişli geometri (çok düşük sıvı-katı temas fraksiyonlu geometri) için aynı olduğu gözlemlenmiştir.
Simülasyonlar aracılığıyla bilim adamları, dört ana geri çekilme mekanizmasını gözlemlediler ve bunları mevcut çalışmada tanımlayıp modellediler. Daha sonra, yeni model, doğruluğunu doğrulamak için önceki çalışmada önerilen geriye dönük modeli niteliksel olarak test etmek için kullanıldı. Enerjideki değişimler analiz edilerek, geri çekilmenin olumlu ve uygun hale geldiği açı elde edilir ve en iyi geri çekilme açısı oluşturulur. CAH simülasyonundan farklı olarak, kritik basıncın ikinci parametresi, yeniden giriş veya çift girişli yüzey geometrisine duyarlıdır. Kritik basınç çalışmasında bilim adamları, mevcut çalışmadaki nicelendirmeyi simüle edilmiş verilerle karşılaştırırken üç başarısızlık mekanizması gözlemlediler ve bunları yapısal parametrelerin bir fonksiyonu olarak ölçtüler.
Önceki çalışmalarda tanıtılan yaygın olarak kullanılan kritik basınç modelinin büyük ölçüde basitleştirildiği bulunmuştur. Örneğin, sıvı-buhar arayüzünün morfolojisinin zayıf açıklaması, fabrikasyon yapının gerekenden birçok kez daha küçük olmasına neden olur ve mekanik özellikler de zayıftır. Araştırmacılar, bu çalışmada, yalnızca kritik basıncın nicel doğruluğunu elde etmekle kalmayıp aynı zamanda gerekli karmaşık arayüz morfolojisini başarıyla simüle eden daha karmaşık bir model geliştirdiler. Minimum enerji dönüşüm mekanizmasının üçüncü parametresini incelerken, bilim adamları üç başarısızlık mekanizması belirlediler. Örneğin, yüzey tasarımındaki arızalar, akış, titreşim, buharlaşma, yoğuşma, damlacık etkisi, değişen elektrik ve manyetik alanlar veya nano ölçekli termal dalgalanmalar dahil olmak üzere bir dizi ek bozuklukla tetiklenebilir.
Pratik uygulamalarda, hatalar bir dizi rahatsızlıktan kaynaklanabilir. Yıkıcı bir doku oluşturmak için bilim adamları, en kötü kombine başarısızlık durumunu değerlendirmek için maksimum enerji yolunu (MEP) birleştirdiler. Üç geçiş yolu belirlenir (1) temel temas (BC), (2) sütun teması (PC) ve (3) başlık teması (CC), ardından yapısal parametre alanındaki her bariyer ölçülür ve son olarak değerlendirilir Belirli bir yüzey geometrisi için en olası enerji aktarım mekanizması. Belirlenen yapısal özellikler, kritik basıncı en üst düzeye çıkarmak, enerji bariyerini en aza indirmek ve CAH'yi en üst düzeye çıkarmak için eşzamanlı olarak optimize edildi.
Bu amaçla, su arıtma ve dijital mikroakışkanlar için iki membran optimize edilmiştir.Genetik algoritma, optimize edilmiş tasarımı parametre uzayında etkin bir şekilde konumlandırabilir ve özel ıslatılabilirlik uygulamaları için daha karmaşık yapılar tasarlayabilir. Bu şekilde, bilim adamları, birden fazla akışkanla temas halindeki herhangi bir mezo-yapılandırılmış yüzeyi incelemek için oldukça çok yönlü hesaplama teknikleri geliştirdiler. Bu çok yönlü optimizasyon stratejisi, gerçek dünyadaki süperhidrofobik yüzeyleri etkili bir şekilde tasarlamak için 3D baskı ve litografik baskı yöntemleri dahil olmak üzere gelişmiş üretim teknolojileriyle birleştirilerek, güvenilirliği ve ölçeklenebilirliği geliştirmek için daha da geliştirilebilir.
