科学家们发明了控制水流的方法

麻省理工学院的工程师们开发了一种系统，可以只使用光来控制水在表面上的移动方式。研究人员认为，这一进步可能会为微流体诊断设备打开大门，微流体诊断设备的通道和阀门可以在飞行中重新编程，或者现场系统可以在钻井平台上分离水和油。

该系统由麻省理工学院机械工程副教授Kripa Varanasi、工程学院教学创新教授Gareth McKinley、前博士后Gibum Kwon、研究生Divya Panchanathan、前研究科学家Seyed Mahmoudi和沙特阿拉伯法赫德国王石油和矿产大学的Mohammed Gondal开发。

该项目的最初目标是寻找将油与水分离的方法，例如，处理某些油井生产的盐水和原油的泡沫混合物。这些混合物混合得越彻底——液滴越细——它们就越难分离。有时使用静电方法，但这些方法是能源密集型的，并且在水高盐时不起作用，而通常情况下。相反，该团队探索了“光反应”表面的使用，这种表面对水的反应可以通过暴露在光线下而改变。

通过创造与水相互作用的表面——一种被称为润湿性的特性——可以被光激活，研究人员发现，他们可以通过使单个水滴聚集并扩散到表面上，直接将油从水中分离出来。水滴融合得越多，从油中分离出来的就越多。

光响应材料得到了广泛的研究和应用;一个例子是大多数防晒霜中的活性成分，二氧化钛，也被称为二氧化钛。但是这些材料中的大多数，包括二氧化钛，主要对紫外线有反应，对可见光几乎没有反应。然而，只有大约5%的阳光在紫外线范围内。因此，研究人员找到了一种处理二氧化钛表面的方法，使其对可见光做出反应。

他们首先使用了一种逐层沉积技术，在一层玻璃上建立了一层聚合物结合的二氧化钛颗粒薄膜。然后，他们用一种简单的有机染料浸渍了这种材料。结果表明，这种材料的表面对可见光的反应非常灵敏，当暴露在阳光下时，其润湿性的变化比二氧化钛本身的变化要大得多。当被阳光激活时，这种材料被证明在“破乳”油水混合物方面非常有效——使水和油相互分离。

瓦兰西说:“我们的灵感来自光伏发电的工作，染料敏化被用来提高太阳辐射的吸收效率。”“染料与二氧化钛颗粒的耦合允许在光照下产生载流子。在光照下，表面和液体之间会产生电位差，从而导致润湿特性的变化。”

“在光照下，咸水会在我们的表面扩散，但石油不会，”Kwon说，他现在是堪萨斯大学的助理教授。“我们发现，在可见光下，几乎所有的海水都会扩散到海面上，并与原油分离。”

正如该团队在一系列实验中所证明的那样，同样的效果也可以用于驱动表面上的水滴。通过使用移动光束有选择地改变材料的润湿性，可以将液滴导向更可润湿的区域，并以极高的精度将其推向任何所需的方向。这样的系统可以设计成没有内置边界或结构的微流体装置。液体的运动——例如芯片诊断实验室中的血液样本——将完全由投射到其上的照明模式控制。

瓦拉纳西说:“通过系统地研究染料的能级和接触液体的润湿性之间的关系，我们已经提出了设计这些光导液体操纵系统的框架。”“通过选择合适的染料，我们可以在液滴动力学方面产生重大变化。这是一种光诱导运动——液滴的无接触运动。”

这些表面可切换的润湿性还有另一个好处:它们可以在很大程度上自清洁。当表面从亲水变为疏水时，表面上的任何水都会被冲走，携带着可能积聚的任何污染物。

由于光响应效应是基于染料涂层的，因此可以通过从数千种可用的有机染料中进行选择来高度调节。研究人员说，这个过程中涉及的所有材料都是广泛可用的、廉价的商品材料，制造它们的过程是司空见惯的。

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