香港城市大学の研究者らは3Dプリントされたマクロラチェットを使って流体を制御している

この投稿は warrior bear によって 2023-5-13 22:19 に最後に編集されました。

2023年5月13日、Antarctic Bearは、香港城市大学の研究者が、液体の拡散方向を選択的に変更できるマクロラチェットを3Dプリントすることで、表面液体の拡散ダイナミクスを制御する新しい方法を開発したことを知りました。
液体の方向制御を適切に実現することは、マイクロ流体工学、バイオメディカル、熱管理などの基礎研究と実用アプリケーションの両方にとって非常に重要です。従来、液体の拡散方向は表面デザインによって完全に決定され、カスタマイズできないと考えられていました。新しい研究では、表面張力の異なる液体が同じ表面上で広がる方向を選択できることを実証することで、この概念に異議を唱えています。
この研究は、「デュアルスケールリエントラントラチェットによって可能になる選択的液体方向ステアリング」と題された論文として、International Journal of Extreme Manufacturing に掲載されました。

関連論文リンク: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/acccbc
研究ハイライト

方向性のある液体ステアリングを実現するために、周期的に配置されたデュアルスケールの凹面ラチェットで構成される新しい表面が開発されました。これは、シンプルな 3D 印刷プロセスで製造され、従来の設計における物理的または化学的な後処理の必要性を排除しました。
3D 印刷プロセス中に生成される微細溝のような表面欠陥を排除する必要がある従来の設計とは異なり、層ごとの印刷特性を活用して、調整可能なマルチスケール形態を持つ折り畳み式ラチェットを製造し、多機能階層構造の開発に関する新たな知見を提供します。
デュアルスケール再突入ラチェットのマイクロ溝は、液体の局所的な流れを促進したり遅らせたりすることができ、その調整によって液体が異なる経路を選択することもできることがわかりました。

3D プリントされたマクロラチェット<br /> 香港城市大学の最近の進歩により、異なる表面張力を持つ液体が、二重凹曲率を持つ巨視的ラチェットで構成される同じ表面上で広がる方向を選択できるようになりました。このカスタマイズを実現するための鍵は、二重凹曲率を持つ 3D マクロラチェットの使用にあります。これらの複雑な構造は 3D プリントを使用して製造できますが、層ごとに印刷するプロセスでは、微細溝などの表面欠陥が生じます。従来の方法では、これらの欠陥を除去するために追加の研磨プロセスが必要であり、複雑さが増し、実際の用途が制限されていました。
3D プリントされたマクロラチェット (上) とレイヤーライン (下)。 (画像提供: Jing Sun 他)
この研究では、研究者たちは異なるアプローチを採用した。彼らは表面の欠陥を除去する代わりに、それを利用して液体の拡散状態図を調整しました。微細溝を備えた簡素化されたデュアルスケールラチェットを設計することで、自然現象に見られるものと同様の液体の方向性操縦を実現することができました。
さらなる実験により、マイクロ溝の向きが適度な濡れ性を持つ液体の調節に重要な役割を果たすことが明らかになりました。
香港理工大学機械工学部の研究者であるZuankai Wang氏は次のように述べている。「これは、方向性のある液体の方向転換機能を犠牲にすることなく、製造や複製が容易な新しい表面設計を提供します。ラチェットの傾斜方向に対して垂直に配置されたマイクロ溝は、ラチェット側面の液体の拡散を遅くする遅延弁として機能します。一方、ラチェットの傾斜方向に対して平行に配置されたマイクロ溝は、毛細管ウィッキングによる液体の拡散を促進するため、後者は液体の後方拡散を促進します。」
ダブルスケール再突入ラチェットの設計・製造。 (a) デジタル光処理ベースの 3D 印刷セットアップの概略図。 (b) リエントラントラチェットの上面および側面の走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像。 (c、d) ラチェットの傾斜方向に対して垂直および平行にマイクロ溝が配置された凹面ラチェットの SEM 画像。
液体拡散<br /> この研究の結果は従来の考え方に疑問を投げかけ、液体の拡散を正確に制御できる表面の設計と製造の新たな可能性を切り開きます。研究者たちは現在、液体と固体の相互作用のメカニズムをさらに深く探究し、材料にさまざまな成分を組み込むことで実現できる他の機能性を模索している。垂直および平行のマイクロ溝を備えたラチェット上の液体拡散ダイナミクス。 (a)、(b) 垂直なマイクロ溝を持つラチェット上を前方に伝播する水/エタノール混合物（エタノール質量分率 f = 0.09）と、平行なマイクロ溝を持つラチェット上を後方に伝播する水/エタノール混合物のスナップショット。 (c) 伝播距離Xの時間tに対する変化。ここで、Xの正の値と負の値はそれぞれ前方伝播と後方伝播を表します。 (d) 垂直および平行のマイクロ溝を持つラチェット上の液体の拡散方向を示す相図。一般に、θ が約40° から 60° の範囲にある液体は、赤い領域で強調表示されているように、これら 2 つの表面上で異なる拡散方向を示します。この研究は、一見望ましくない表面欠陥を利用して機能的な表面を作り出し、廃棄物を宝物に変える方法を実証しています。エンジニアは、微細構造の複雑さを理解し、受け入れることで、油水分離、集水、熱管理、マイクロ流体工学、高度な製造、バイオミミクリーなど、さまざまな分野で新しいアプリケーションを開発できます。「私たちが知っていることは氷山の一角に過ぎません」とワン氏は言う。「より高度な視覚化ツールを使用すれば、液体と固体構造が微視的スケールでどのように相互作用するかを明らかにすることができます。また、材料に異なる成分を加えることで、さらなる機能を導入することもできます。」液体の力学を研究する可能性は広大であり、さらなる研究により、液体を操作するこれらの革新的な方法の可能性についてさらに明らかになることは間違いありません。