Bionische Femtosekundenlaser-Fertigung, die Blasenmanipulation ermöglicht

Die Manipulation und Nutzung von Gas in Wasser findet breite Anwendung in der Energienutzung, der chemischen Herstellung, dem Umweltschutz, der landwirtschaftlichen Züchtung, mikrofluidischen Chips und im Gesundheitswesen. Die Möglichkeit, Unterwasserblasen dazu zu bringen, sich über einzigartige Gradientengeometrien gerichtet und kontinuierlich über eine bestimmte Distanz zu bewegen, wurde erfolgreich archiviert und eröffnet Raum für weitere Forschung zu diesem spannenden Thema. In vielen Fällen ist die Gradientengeometrie jedoch mikroskopisch und für den Gastransport auf Mikroskopebene ungeeignet, da die meisten mikroskaligen Gradientenstrukturen die unzureichende Antriebskraft liefern. Dies macht den Unterwasser-Selbsttransport von Blasen und Gasen auf mikroskopischer Ebene zu einer großen Herausforderung.

In einem neuen Artikel, der in der Internationale Zeitschrift für extreme Fertigung, ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Feng Chen von der School of Electronic Science and Engineering, Xi’an Jiaotong University, China, hat eine innovative Strategie für den Unterwasser-Selbsttransport von Gas entlang einer durch Femtosekundenlaser induzierten offenen superhydrophoben Oberfläche vorgeschlagen mit einer Mikrokanalbreite von weniger als 100 µm. Die Mikrorille mit superhydrophoben und Unterwasser-superaerophilen Mikro-/Nanostrukturen an ihrer Innenwand kann nicht von Wasser benetzt werden, sodass sich beim Eintauchen der mit Rillen strukturierten Oberfläche in Wasser ein hohler Mikrokanal zwischen Substrat und Wasser bildet. Gas kann frei entlang des Unterwassermikrokanals strömen; Das heißt, dieser Mikrokanal ermöglicht den Gastransport im Wasser. Die superhydrophoben Mikrorillen ermöglichen den Selbsttransport von Blasen und Gasen auf mikroskopischer Ebene.

Die Femtosekunden(10−15 s)-Lasertechnologie hat sich als vielversprechende Lösung zur Herstellung einer solchen superhydrophoben Mikrorille herausgestellt. Femtosekundenlaser nutzen ihre beiden Hauptmerkmale: extrem hohe Spitzenintensität und ultrakurze Impulsbreite und sind zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die moderne Extrem- und Ultrapräzisionsfertigung geworden. Die Femtosekundenlaserbearbeitung zeichnet sich durch eine hohe räumliche Auflösung, eine kleine Wärmeeinflusszone und eine berührungslose Fertigung aus. Insbesondere der Femtosekundenlaser kann nahezu jedes Material abtragen, wodurch Mikrostrukturen auf der Materialoberfläche entstehen. Somit ist der Femtosekundenlaser ein praktikables Werkzeug zur Erzeugung superhydrophober Mikrostrukturen auf Materialoberflächen, was für die Realisierung des Gasselbsttransports auf mikroskopischer Ebene unerlässlich ist.

Hierarchische Mikro-/Nanostrukturen ließen sich leicht auf dem inhärent hydrophoben Polytetrafluorethylen (PTFE)-Substrat durch Femtosekunden-Laserbearbeitung herstellen, wodurch die PTFE-Oberfläche mit ausgezeichneter Superhydrophobie und Unterwasser-Superaerophilie ausgestattet wurde. Die durch Femtosekundenlaser induzierten superhydrophoben und superaerophilen Unterwasser-Mikrorillen stoßen Wasser stark ab und können den Gastransport unter Wasser unterstützen, da sich zwischen der PTFE-Oberfläche und dem Wassermedium im Wasser ein hohler Mikrokanal gebildet hat. Unterwassergas wurde leicht durch diesen hohlen Mikrokanal transportiert.

Wenn superhydrophobe Mikrorillen verschiedene superhydrophobe Regionen in Wasser verbinden, wird das Gas interessanterweise spontan von einer kleinen Region zu einer großen Region übertragen. Ein einzigartiges Laserbohrverfahren kann die Mikrolöcher auch in die superhydrophobe und unter Wasser superaerophile PTFE-Folie integrieren.

Die asymmetrische Morphologie der Femtosekundenlaser-induzierten „Y“-förmigen Mikrolöcher und die einzigartige Superbenetzbarkeit der Oberfläche der PTFE-Folie ermöglichten es den Gasblasen, unidirektional durch die poröse Superbenetzungs-PTFE-Folie zu gelangen (von der Seite der kleinen Löcher zur Seite der großen Löcher). ) im Wasser.

Eine unidirektionale Anti-Auftriebsdurchdringung wurde erreicht; Das heißt, das Gas überwand den Auftrieb der Blase und transportierte sich selbst nach unten. Ähnlich wie bei einer Diode wurde die Funktion des unidirektionalen Gasdurchgangs der superbenetzenden porösen Schicht verwendet, um die Transportrichtung des Gases bei der Manipulation von Unterwassergas zu bestimmen und einen Gasrückfluss zu verhindern.

Die Laplace-Druckdifferenz trieb die Prozesse des spontanen Gastransports und des unidirektionalen Blasendurchgangs an. Die superhydrophoben und superaerophilen porösen Unterwasserfolien wurden auch erfolgreich zur Trennung von Wasser und Gas basierend auf dem Verhalten des Gasselbsttransports eingesetzt.

Professor Feng Chen (Direktor des Ultrafast Photonic Laboratory, UPL) und außerordentlicher Professor Jiale Yong haben die Bedeutung der Forschung und die potenziellen Anwendungen dieser Technologie (Selbsttransport von Gasen unter Wasser) wie folgt identifiziert:

„Wie kann man sich vorstellen, superhydrophobe Mikrorillen für den Gastransport zu verwenden?“

„Superhydrophobe Mikrostrukturen haben eine große Wasserabstoßung, wodurch die Materialien Flüssigkeiten abstoßen können. Wenn eine Mikrorille superhydrophobe Mikro-/Nanostrukturen an ihrer Innenwand aufweist, wird die Mikrorille nicht von Wasser benetzt, da die Oberfläche mit Rillenstruktur in Wasser eingetaucht ist. Daher a Zwischen dem Substrat und dem Wassermedium bildet sich ein hohler Mikrokanal. Dieser Mikrokanal ermöglicht den Gastransport im Wasser, sodass Gas frei entlang des Unterwassermikrokanals strömen kann. Der Femtosekundenlaser kann eine solche superhydrophobe Mikrorille leicht herstellen. Die Breite der laserinduzierten Mikrorille bestimmt die Breite des hohlen Mikrokanals, der kleiner als 100 μm ist, was es uns ermöglicht, den Gasselbsttransport auf mikroskopischer Ebene zu realisieren.“

„Warum wurde ein Femtosekundenlaser verwendet, um eine solche superhydrophobe Mikrorille für den Gasselbsttransport herzustellen?“

„Der Laser ist eine der größten Erfindungen des 20. Jahrhunderts. In den letzten Jahren hat sich der Femtosekundenlaser zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die moderne Extrem- und Ultrapräzisionsfertigung entwickelt. Die Femtosekundenlaserbearbeitung ist eine flexible Technologie, die direkt superhydrophob und Unterwasser-superaerophil schreiben kann Mikrorillen auf der Oberfläche eines festen Substrats und bohren offene Mikrolöcher durch einen dünnen Film. Darüber hinaus können die Spur der offenen Mikrorillen und die Position der offenen Mikrolöcher durch das Steuerprogramm während der Laserbearbeitung genau entworfen werden.“

„Beeinflusst die Art des Gases den Selbsttransport von Blasen und Gasen auf mikroskopischer Ebene?“

„Obwohl nur die gewöhnliche Luftblase untersucht wurde, sollte beachtet werden, dass die treibende Kraft für den Gastransport nicht die chemische Zusammensetzung des Gases betrifft. Daher ist die in diesem Artikel beschriebene Manipulation von Gas auf andere Gase anwendbar, solange wie sie lösen sich nicht vollständig in den entsprechenden Flüssigkeiten auf.“

„Was sind die potenziellen Anwendungen der Technologie, die den Selbsttransport und die Manipulation von Blasen/Gas auf der Grundlage der mit Femtosekundenlasern geschriebenen superhydrophoben Mikrorillen erreicht?“

„Wir glauben, dass die berichteten Methoden des Selbsttransports von Gas in Wasser entlang von Femtosekundenlaser-strukturierten superhydrophoben Mikrokanälen viele neue Anwendungen in der Energienutzung, der chemischen Herstellung, dem Umweltschutz, der landwirtschaftlichen Züchtung, mikrofluidischen Chips, dem Gesundheitswesen usw. eröffnen werden.“

Die Forscher weisen auch darauf hin, dass diese Strategie für den Selbsttransport von Gas auf der Grundlage der superhydrophoben Mikrorillen zwar validiert ist, aber noch in den Kinderschuhen steckt. Der Einfluss verschiedener Faktoren (wie etwa die Größe der Mikrorillen, die Länge des Kanals und das Volumen des Gases) auf die Leistung des Gastransports muss weiter erforscht werden. Auch die praktischen Anwendungen auf Basis der Gaseigentransportfunktion müssen entwickelt werden.

Bereitgestellt vom International Journal of Extreme Manufacturing