主动表面控制着上面的东西

麻省理工学院和沙特阿拉伯的研究人员开发了一种制造表面的新方法，可以主动控制流体或颗粒如何在表面上移动。这项工作可能会使新型生物医学或微流体设备，或太阳能电池板能够自动清除灰尘和沙砾。

“大多数表面都是被动的，”麻省理工学院机械工程副教授克里帕·瓦拉纳西(Kripa Varanasi)说，他在《应用物理快报》(Applied Physics Letters)杂志上发表了一篇描述新系统的论文。“它们依靠重力或其他力来移动液体或粒子。”

瓦拉纳西的团队决定使用外部场，如磁场，使表面活跃，对粒子或液滴在表面上移动的行为施加精确的控制。

该系统利用微纹理表面，凹凸不平或山脊只有几微米宽，然后浸渍在一种可以操纵的流体中——例如，一种注入了微小磁性颗粒的油，或铁磁流体，可以通过在表面施加磁场来推动和拉动。当水滴或微小颗粒被放置在表面时，一层薄薄的液体涂层将其覆盖，形成磁性斗篷。

薄薄的磁化斗篷实际上可以拉动液滴或粒子，因为该层本身在表面上被磁性吸引。铁磁流体中的微小铁磁颗粒，直径约10纳米，可以在需要时进行精确控制——例如在用于测试生物或化学样品的微流体设备中，通过将它们与各种试剂混合来测试它们。与传统微流体的固定通道不同，这种表面可以有“虚拟”通道，可以随意重新配置。

虽然其他研究人员已经开发出利用磁性来移动粒子或流体的系统，但这些系统要求被移动的材料具有磁性，并且需要很强的磁场来移动它们。新系统产生了一个超级光滑的表面，可以让流体和颗粒在几乎没有摩擦的情况下滑动，移动这些材料所需的力要小得多。该论文的主要作者、麻省理工学院研究生卡里姆·哈利勒(Karim Khalil)说:“这使我们能够以较小的外力获得高速度。”

他说，这种新方法可能适用于一系列应用:例如，当灰尘、水分或其他材料积聚在太阳能聚光系统中的太阳能电池板和镜子表面时，它们的效率会迅速下降相当大的比例。但如果在表面涂上这种活性物质，一个短暂的磁脉冲就可以把这种物质扫走。

瓦拉纳西说:“在这种镜子上，污垢是一个大问题。“数据显示，效率每周下降近1%。”

但目前，即使是在沙漠地区，对付这种污染的唯一方法是用软管冲洗这些阵列，这是一种耗费人力和水资源的方法。研究人员说，这种新方法可能会导致清洁过程自动化和无水的系统。

“在沙漠环境中，灰尘每天都有，”沙特阿拉伯法赫德国王石油矿产大学(KFUPM)的合著者努曼·阿布-迪尔说。“粉尘问题基本上使得太阳能电池板的使用效率低于北美或欧洲。我们需要一种减少灰尘积累的方法。”

新型活性表面系统的一个优势是它对各种表面污染物的有效性:“你希望能够推动灰尘或液体，以及表面上的许多物质，无论它们的性质如何，”Varanasi说。

这篇论文的合著者、麻省理工学院博士后赛义德·马哈茂迪(Seyed Mahmoudi)指出，电场无法穿透导电流体，比如生物流体，因此传统系统无法操纵它们。但对于这个系统，他说，“导电性并不重要。”

此外，这种方法对材料的运动方式有很大的控制。“主动场——比如电场、磁场和声场——已经被用来操纵材料，”Khalil说。“但你很少看到表面本身与上面的材料发生积极的相互作用，”他说，这使得精度更高。

虽然最初的演示使用了磁流体，但该团队表示，同样的原理可以应用于使用其他力来操纵材料，比如电场或温差。

这项工作得到了麻省理工学院- kfupm清洁水和清洁能源中心的支持。

麻省理工学院

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