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abstracto

¿Amas u odias el agua?

Liqiu Wang

Esta charla trata sobre tres técnicas desarrolladas recientemente en HKU que utilizan microestructuras bioinspiradas para manipular líquidos con precisión: recolección de agua, repulsión de líquidos y captura/liberación de gotas. Las características estructurales y topológicas únicas de las seda de araña y su telaraña les permiten ser un súper recolector de agua atestiguado por una gran cantidad de gotas de agua que se les entregan temprano en la mañana. Con la tecnología de microfluidos, hemos fabricado con precisión microfibras robustas con nudos de cavidad de huso y diferentes redes de fibras topológicas para imitar estas características. Estas microfibras están dotadas de una rugosidad superficial única, resistencia mecánica y durabilidad a largo plazo, lo que permite un excelente rendimiento en la recolección de agua. El volumen máximo de agua recogido en un solo nudo es casi 495 veces el volumen del nudo; la captación de agua es aún más eficiente y escalable con sus redes. Estas microfibras livianas pero resistentes y de bajo costo ofrecen oportunidades prometedoras para la recolección de agua en áreas con escasez de agua. Las superficies repelentes de líquidos repelen los líquidos en lugar de permitir que se adhieran las gotas. Estas superficies son importantes en muchos campos, incluida la ropa y los utensilios de cocina que se limpian solos, la transferencia de calor mejorada y los revestimientos antiincrustantes, anticorrosivos y de reducción de arrastre. El sueño de la investigación y el desarrollo de repelentes de líquidos es una estructura que tenga una fuerte repelencia de líquidos, una gran estabilidad mecánica y que sea económica de producir a escala comercial. Sin embargo, los resultados funcionales de las superficies repelentes de líquidos existentes no han sido satisfactorios debido a las deficiencias del diseño estructural convencional y los enfoques de fabricación en las microestructuras de ingeniería y las propiedades de tales superficies. Desarrollamos un enfoque escalable de bajo costo para la fabricación de superficies porosas bien definidas con fuerte repelencia a los líquidos y gran estabilidad mecánica. El diseño de las superficies repelentes a los líquidos está inspirado en las estructuras de las cutículas de los colémbolos, que pueden resolver eficazmente el antiguo conflicto entre la repelencia a los líquidos y la estabilidad mecánica. Los colémbolos son artrópodos que habitan en el suelo cuyos hábitats a menudo experimentan lluvias e inundaciones. Como consecuencia, los colémbolos han desarrollado cutículas con una fuerte durabilidad mecánica y una fuerte repelencia a los líquidos para resistir la fricción de las partículas del suelo y sobrevivir en ambientes acuosos. Diseñamos las superficies porosas para que estén compuestas por microcavidades en forma de panal interconectadas con un perfil de reentrada: la interconectividad garantiza la estabilidad mecánica y la estructura de reentrada produce una fuerte repelencia a los líquidos. Las superficies porosas similares a cutículas se fabrican mediante autoensamblaje utilizando gotas de microfluidos, lo que aprovecha al máximo las capacidades de los microfluidos en términos de escalabilidad y manejo preciso de pequeños volúmenes de fluidos. La generación de estas superficies porosas similares a cutículas utilizando microfluidos ha llevado a una fabricación precisa, controlable, escalable y económica. Algunos insectos semiacuáticos pueden caminar fácilmente sobre el agua y trepar por la pendiente de los meniscos debido a la densa capa de pelo y las garras retráctiles de humectabilidad complementaria en sus tarsos. Inspirándonos en esto, creamos una superficie mecano-regulada cuya fuerza adhesiva a las gotas de líquido se puede cambiar simplemente a través de la regulación mecánica. La superficie mecano-regulada funciona como una “mano mágica” que puede capturar y liberar múltiples gotas diminutas con precisión y sin pérdidas, y funciona tanto para gotas de agua como de aceite a una escala de nanolitros. Estas superficies son relevantes y cruciales en varios campos de alta precisión, como el diagnóstico médico y el descubrimiento de fármacos, donde la transferencia precisa de líquido diminuto es imprescindible. Aprender de la naturaleza allana el camino para crear nano/microestructuras con características únicas para interactuar con líquidos bajo demanda. Pequeñas pero potentes, estas estructuras pueden manipular líquidos con eficacia y precisión. Con estas técnicas, el agua se puede recolectar directamente del aire en los desiertos, no se puede volver a lavar la ropa y los líquidos se pueden manejar convenientemente como sólidos.