תחבורה נוזלית מונעת Capillary ב Geometries מוגבל הוא תופעה בסיסית השולטת תהליכים טבעיים ותעשייתיים רבים, מן האחוז של sap בצמחים לתפקוד של מכשירים אבחון מיקרו-השפעהיים.התנהגות של נוזלים בסרטים רטובים היא רגישה להפליא לתכונות פיזיקלימיות של פני השטח הרטובים.

יסודות של יציבות פני השטח

יכולת הרטבת משטחית מאמת את התואר שבו נוזל מתפשט על פני תת-קרקעי מוצק.התנהגות זו נובעת ממאזן אינטראקציות בלתי-חלוניות בממשק נוזלי-הוואפור, כולל כוחות הפיזור של לונדון, אינטראקציות דיפול-דיפול וחיבור מימן.

יצירת קשר עם אנג'לה ונפילתה של יאנג

תיאורי המאקרוסקופי של הרטובות הוא זווית מגע ( ⁇ ), המוגדרת כזווית שנוצרה בקו מגע תלת-phase שבו נפגשים השלבים הנוזליים, המוצקים והחוסנים.תומס יאנג תיאר לראשונה את האיזון הזה בשנת 1805, המוביל למשוואה הבסיסית של מדע רטוב:

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) ⁇ ⁇ FLT:0) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אנרגיה ושותפות

(ב) אנרגיה מוצקה ( ⁇ FLT:0SVirveFLT) הוא בעל הקרקע החומרי הבסיסי המניעה של משטחים עתירי אנרגיה גבוהים, כגון מתכות נקיות, תחמוצות וזכוכית, בדרך כלל לקדם לחות.

תגית: אנגל Hysteresis

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Capillary-Driven Transport: עקרונות ודינמיקה

פעולה Capillary נובעת משילוב של כוחות כפיים בתוך הכוחות הנוזליים והדבקים בין הנוזל והחזק.בערוץ צר או סרט דק, זה יוצר כוח מניע נטו שיכול להניע נוזלים נגד הכבידה או באמצעות רשתות ⁇ .

לחץ מקום ו-Virburn Equation

(ה) ניתן להבחין בין יתר לחץ על פני ממשק נוזלי מעוקל, הידוע בשם לחץ Laplace ( ⁇ P), על ידי ⁇ P = ⁇ (1/RirFLT:0) 1/RirFLT: 1/RirFLT:2reaFLT:2032033), שבו RFLT=1FLT:5 ו RFLT 62FLT 7 הם קרינה באופן חלקי של RANDIR.

הקינטיקה של חדירה לתוך מכסה אופקית או בינוני ⁇ מתוארים על ידי משוואה רוויה:

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(במקום ש-L הוא אורך החדירה, t הוא זמן, ו- μ הוא מהירויות נוזליות.המערכת הבסיסית של מערכת יחסים (L ⁇ ⁇ t) היא סימן ההיכר של זרימת capillary-dominated.התפקיד הקריטי של cos ⁇ הוא מיד ברור: שיעור זרימה הוא פרופורציה ישירות לקידוד, והופך לבלתי אפשרי אם ⁇ >, וכתוצאה מכך הוא גורם שלילי של דגם CVal1, אשר מספק את ה-Flowerlimate.

סרטי קולנוע: מבנה ויציבות

סרט רטוב הוא שכבה דקה של נוזל, החל ננומטרים ועד מיקרומטר עבה, מתפתל אל פני השטח המוצק. בעוד כוחות מקרוסקופיים של capillary שולטים בערוצים גדולים, היציבות של הסרטים הדקים האלה נשלטת על ידי כוחות בלתי-חלימיים המפוצצים בלחץ התפורר ( ⁇ ).

לחץ מת

(הלחץ המתפורר) מהווה כוחות ארוכי טווח כולל אינטראקציות ואן דר וואל, כוחות כפולים אלקטרוסטטיים, וכוחות מבניים/סולם.האפקט שלו הופך דומיננטי בכ-100 nm.האנרגיה החינמית הכוללת קובעת את יציבותו: אם ⁇ הוא חיובי (repulsive) גורם לחץ חזק נשאר אחיד; אם ⁇ הוא שלילי (אטירה), הסרט חופשי לחלוטין עשוי להיות מייצב באופן ספונטני על פני השטח של חומר משיכה נמוכה.

ההשפעה של חוסר יכולת התחבורה

הממשק בין הרטובות פני השטח לבין הכוחות השולטים בסרטים דקים יוצר משטרים נפרדים עבור תחבורה capillary, השפעה ישירה על מהירות זרימת זרימת, עומק חדירה, ואת ההמשכיות של השלב הנוזלי.

הידרופילי לעומת hydrophobic Surfaces

על פני השטח הידרופילאריים, החזית הנוזלית מתקדמת עם כוח נהיגה קפילארי גבוה.נוזל יוצר a concave Meniscus שמושך את הנוזל הגדול קדימה. כמו הקדמי עובר, הוא משאיר מאחורי שכבת בטון יציבה, רזה, המאפשר תחבורה יעילה, רציפה ומקדם התיישבות מהירה של רשתות ⁇ .

על פני השטח הידרופוביים, כוח הנהיגה של capillary הוא שלילי עבור וויקפדיות ספונטנית.נוזל יוצר מגע convex Meniscus, וחוץ לחץ ⁇ s או כוחות כבידה נדרשים להניע. בתוך הסרט, הנוזל מצמצם מגע מוצק נוזלי, לעתים קרובות אימוץ מצב "fakir" או יצירת טיפות קומפקטיות.

רמת זרימה ו-Tatption Depth

ממסגרת משוואה Washburn, החדירה קשקשים כמו L ⁇ (cos ⁇ ) doubling the cos ⁇ (למשל, מ- 0.5 עד 1.0) מכפיל את אורך החדירה בזמן נתון.רגישות זו הופכת את הרטובה לפרמטר כוונון חזק, ללא פרמטרים קלים המבוססים על נייר מיקרופלודימי (μs), הגדלת יכולת הרטובה של סיבי תאים הדורשים קלים או ירידה מהירה באופן דרמטי.

סרט קולנוע ו Rupture Dynamics

סרט נוזלי דק על פני אנרגיה נמוכה הוא metastable thermoדינמית. Spinodal dewetting, מונע על ידי לחץ שלילי מתפורר, מוביל קרע ספונטני של הסרט.תהליך קרע מאופיין על ידי גל דומיננטי של קפסולות, מוכתב על ידי איזון בין כוחות וידוי מייצבים וייצוב כוחות ייצוב של רטיבות קובע ישירות על ידי ציפויים דרמטיים של מתכתי מתכת, אבל זה הוא איטיים של דפוסים רצוף (מפוסקים).

תכונות Surface Wetttability and Transport

מדידה יעילה וחדשנית של יכולת הרטובת פני השטח ודינמיקה התחבורה המתקבלת חיונית הן למחקר והן לפיתוח מוצר בסיסי.

גונומטריה ומדיטציה

האופטי גרוטיאומטריה היא הטכניקה הסטנדרטית למדידת זוויות מגע סטטיות ודינמיות. a droplet קטן (בדרך כלל 0.5-5 μL) של נוזל בדיקה מופקד על פני השטח. מצלמות ברזולוציה גבוהה ללכוד את פרופיל הירידה, ותוכנה מנתחת את הצורה באמצעות משוואה יאנג-למקום כדי לחלץ את זווית מגע.עבור מדידות דינמיות, נוזל נוסף ברציפות או לסגת מהירידה כדי לקדם ולקדם את הזווית של דיוק זה אפילו מדידה קריטית של זה יכול להיות משמעותי.

כוח 10siometry

שיטת הצלחת וילהלם מציעה גישה חלופית.מיקרו-מאזן רגיש את הכוח המופעל על צלחת מוצקה (או סיבים, או בד) כפי שהוא שקוע לאט לתוך ו נסוג מנוזל מבחן.פרופיל הכוח מספק ישירות קדימה ותיקון זוויות מגע עם דיוק גבוה.טכניקה זו היא בעלת ערך במיוחד עבור חומרים עם גיאמטריה מורכבת (מבים, אבקות) או שבו הדמיה אופטית היא מאתגרת, ובאופן ממוצע של משטחים יותר, המספקת שטח גדול יותר.

ניסויים ב- Dynamic Flow

אימות מודלים תיאורטיים דורש התבוננות ישירה של קינטיקה תחבורה. Capillary להעלות ניסויים צינורות זכוכית יחיד, תאי Hele-Shaw, או מודלים microfluidic ערוצים הם תמונה עם מצלמות מהירות גבוהה.עקב המיקום של נוזל Meniscus לאורך זמן מניב ישירות L. t נתונים אלה ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

יכולת הנדסה לשיפור התחבורה

בקרה על פני השטח כימיה וטופוגרפיה מאפשרת למהנדסים לעצב משטחים עם תכונות רטובות הרצויות, ⁇ קפילורי תחבורה עבור יישומים ספציפיים.

טכניקות לשינוי פנים

  • (FLT:0)Plasma Treatment: FLT:1 חמצן או פלזמה אוויר מחמצן את השכבה המולקולרית ביותר של פולימרים, הצגת קבוצות פונקציונליות קוטביות כגון הידרוקסיל (-OH), פחמן (C=O), ו carboxyl (-COOH) זה מגדיל באופן דרמטי את פני השטח אנרגיה רטוב, הפעלת פוליאתילן הידרופובי או הידרופיל זמני.
  • (FLT:0Self-A מאגדות (SAMs): LT:1 Alkanethiols על פני זהב או משטחים כסף, וכלורוכלוסידינס על משטחים חד-חמצני, לספק שליטה ברמה אטומית על פני כימיה פני השטח.על ידי שינוי הקבוצה פונקציונלית הטרמינל (CH3,OH,CO, OH-CF3), החוקרים יכולים לכוון את הקשר בין 120° ל- 0 עד 120 מעלות.
  • (FLT:0) איסוף: 1FLT:1 ציפוי סול-גל, השעיות חלקיקים, ושכבה-by-layer (LbL) ניתן ליישם כדי להקנות תכונות רטובות עמידות. TiO2 ציפויים, לדוגמה, להציג מוליכופיליות על אוריינות, המציע תכונות מנקה עצמית ואנטי-מדבקות.

עיצוב מיקרו ערוצים וגיאומטריה

גיאומטריה ערוץ יכול להגביר או להקטין את ההשפעות הרטובות. Open capillary ערוצים (grooves) להסתמך על זרימת פינה, המתוארת על ידי מצב קונקוס-Finn.עבור זווית גרווץ נתונה, וויקלינג ספונטני מתרחש רק אם זווית מגע היא מתחת סף מסוים, פינות על משטחים הידרופיליים לפעול כמו משאבות קפילריות חזקות, למשוך במהירות לאורך קצה זה משמש microapial צינורות.

אפשרויות ל-Intability Surfaces

(עמודי קשר שונים מרחבית ⁇ מייצרים כוח מניע נטו על טיפות או עמודות נוזליות. A ⁇ מ hydrophobic ל הידרופיליק גורם לירידה לנוע לכיוון האזור רטוב יותר באופן ספונטני.אפקט "capillary sochet" משמש למניפולציה מתמשכת של טיפות מים, קצירת מים מערפל, ושיפור העברת חום על ידי שליטה קפדנית של פרופיל ⁇ , 0, 000), מהירות אקספונפירית (Fic) ללא מהירות;

יישומים והשלכות

העקרונות המקשרים את יכולת הרטבת משטח לתחבורה של כרובארי נמצאים על פני מגוון עצום של תעשיות.

Microidics ו- Lab-on-a-Chip מכשירים

מיקרו-השפעה מונעת Capillary היא הבסיס של אבחון נקודה-של טיפול.לכאורה זרימה מאוחרת של נייר (בדיקות טרום-הנדסיות, בדיקות HIV) מסתמכים לחלוטין על שטף באמצעות סיבים צלולים הידרופיליים של תאים הידרופיליים.החשיפה של קו הבדיקה ורגישות של Assay תלויה רק בקצב זרימת הדם, אשר מכוונן על ידי מערכות הרטובות של נייר, אשר נעשה שימוש מדויק של שבבים (מערכת העיכול) באופן בלעדי, באמצעות חומצות אחורית, באמצעות חומצות אחורית (חומרה)

ניהול תרמי וצנרת חום

צינורות חום ותאים אדפור להסיר חום על ידי evaping נוזל עבודה בקצה חם, תחבורה את ה vapor עד הסוף הקר, והסתמכות על פעולה capillary ב ⁇ wick כדי להחזיר את נוזל condensed. קיבולת התחבורה החום המקסימלית מוגבלת על ידי משאבת חום, אשר בקנה מידה כמו ( ⁇ s ⁇ / Encre) גבוהה יותר של נפח מתכתי, 000, 000 נזלת, יכול להיות מוגבל יותר של לחץ חום גבוה יותר.

Inkjet Printing ו-Coting Technologies

בדפוס דיוג'ט, הציפוי הרטוב של המדליה המדוייקת של ההדפסה מתפשט, מדמם בין-צבעי, ומדים צבע. ציפוי הידרופילי להפיץ את דיו במהירות לכיסוי טוב, בעוד ציפוי הידרופובי גורם דיו להיות מתאד לתוך dots מוגדרים עבור טקסט חד-פעמי (למשל, החלישומסטר או אלקטרובי), שמירה על פגמים פנימיים (Fic) הוא לחץ על משטח מתכתיבית (Fic) הוא לחץ דם חזק.

התאוששות נפט מוגברת (EOR)

רוב סלעי המאגר מעורבים או שמן-wet, כלומר שמן גולמי דבק חזק על פני השטח של הפודים. מים שיטפונות דרך המאגרים האלה הוא בלתי יעיל כי הלחץ capillary מתנגד לחות מים. טכניקות התאוששות שמן מוגברת, כגון ירידה במים לכודים באופן משמעותי או הזרקת מים, לשנות את יכולת הפלט לכיוון מים רטובים זה.

טקסטיל מתקדם ועמודים פונקציונליים

Moisture-wick Wear משתמשת במבנה דו-שכבות.השכבה הפנימית (הופנה לעור) היא הידרופובית, מצמצם את ספיגה מים ומונעת את הבד מדביקה לעור רטוב.השכבה החיצונית היא הידרופילליקה, יצירת לחץ capillary ⁇ כי משאבה אקטיבית לחות (sweat) הרחק מהגוף אל פני השטח החיצוני שבו הוא יכול להתאדות בכיוון זה הוא מופעל על ידי ההבדל הרטוב לחלוטין.

« « « « « כיוונים עתידיים

הגבול של הנדסה רטובה כרוך שליטה קיצונית ודינמית על פני השטח.

משטחים Superwetting Surfaces

פני השטח המציגות זוויות מגע מחוץ לטווח הרגיל מציעים יכולות תחבורה ייחודיות.משטחים סופר-קלימיים ( ⁇ ⁇ 0 °) לקדם הפצת מים מיידית ומלאה מלאה של מים לסרט דק מולקולרית.אפקט "טיפוס מים" זה משמש ציפויים נגד-מעכב: משטחים של Superhydrophobic ( ⁇ > 150 °) עם תצוגות נמוכות של לוטוס, שבו מים זורמים מטהרים דיגיטליים, ו-Fic-Fic-Fol-to-to-to-tompicol-to-to-to-tompicide, מאפשרים גם משטחים ריקים.

משטחים גמישים ומשתנים

משטחים רגישים של Stimuli-responsive מאפשרים שליטה דינמית, על-ידי דרישה של יכולת רטובה.תמונות-switchable משטחים (למשל, TiO2 או azobenzene SAMs) שינוי רטוב על חשיפה קלה.החומרים העלולים להיות מגיבים כמו פולימרים עמידים חשמליים (N-isropylacrylamide) (PNIPAM) משינוי לטמפרטורה הידרו-ic כדי להיות מדלקת מגע מתקדמת (LC) כדי להפחית את החמצן (מתאים).

מסקנה

פני השטח רטובות היא המשתנה השולט בפיסיקה של תחבורה מונחה על ידי קפילארי בסרטי רטובה.מכוחות לא-חלקוליים בקנה מידה אטומי שנתפסו במשוואה של יאנג וניתוק לחץ על הדינמיקה של זרימת המקרוסקופית שתוארה על ידי משוואה רוויה, זווית מגע מכתיב את הכיוון, היעילות והיציבות של תנועה נוזלית.