Смачивание и гидродинамические свойства анизотропных супергидрофобных поверхностей, страница 4

Частицы плотности ρч (большей плотности воды ρ),которые с потоком жидкости попадают в микроканал длины d на высотеz0 , постепенно оседают под действием силы тяжести. Частицы различноймассы достигают нижней стенки канала на разном расстоянии xсед от егоначала:Zxсед 'tседvx dt =018Uм H,3UСт cos β(7)Рис.

8: (а) Векторное и контурное поля для горизонтальной компонентыскорости жидкости и ее модуля в поперечном сечении z = L/8. (бд) Распределения модуля горизонтальной скорости жидкости и давленияв жидкости для двух поперечных сечений: z = L/8 (б,г) и z = L/2(в,д) в продольном (пунктирные линии) и поперечном (сплошные линии)направлениях текстуры. Все расчеты сделаны для сферы, находящейсяна расстоянии h = 3L/4 от поверхности. Нескользкие полосы обозначенысерым, скользкие полосы — белым.гдеUм—максимальнаяскоростьжидкостиz0 /(UСт cos β) — время седиментации, UСт=в2Rч2канале,tсед'(ρч − ρ) g/ (9µ) —скорость седиментации Стокса, и β — угол наклона канала относительногоризонтальной плоскости.Непосредственно вблизи анизотропной супергидрофобной стенкипоперечная скорость жидкости заметно отличается от нуля, что приводитк поперечному смещению частиц.

Из-за разницы в длине седиментацииxсед частицы разной массы проводят вблизи супергидрофобной стенкиразличное время. В результате их поперечное смещение тоже зависит отмассы и определяется следующим соотношением:∆y 'vyст(d − xсед ),vxст(8)где vст = (vxст , vyст , 0) — скорость частицы около супергидрофобной стенки.Различие в поперечном смещении и лежит в основе предлагаемого в работеметода разделения.19Рис. 9: (а) Схема канала для разделения частиц с анизотропной супергидрофобной нижней стенкой. Прямоугольниками показаны области регистрациискорости и положения частиц; (б) схема поперечного среза такого канала;(в) типичная микрофотография частиц радиусом Rч = 2, 5 мкм вразделительном канале.Далее принципы метода разделения проверены экспериментально,изучен возможный диапазон его применимости и показана высокаяперспективность его использования.В эксперименте в микроканал длиной d = 6 мм вводятся частицыиз оксида кремния радиусом 0, 5 − 2, 5 мкм, которые переносятсяпотоком с расходом Q=2 мкл/мин (Рис.

9). Согласно ур. (7)в таком потоке частицы малого размера (радиуса 0, 5 − 1 мкм) неуспевают достичь пристенного положения равновесия и двигаются вцентре канала, тогда как частицы радиуса 1, 5 − 2, 5 мкм на разномрасстоянии оседают к стенке и затем начинают отклоняться. С помощьюоптической микроскопии и анализа распределения частиц в начале и концеактивной зоны микроканала (Рис. 10) установлено, что частицы разногоразмера действительно отклоняются в поперечном направлении на разнуювеличину, при этом с увеличением размера, как и предсказывает теория,отклонение увеличивается. Различие в поперечном положении для частицразного радиуса в конце активной зоны канала составляет до 40 мкм,что указывает на перспективность использования подобных каналов длясепарации частиц.

Кроме того, в диссертации показано, то эффективность20разделения можно увеличить за счет увеличения угла наклона каналаотносительно горизонтальной поверхности.Рис. 10: (а) Оптические фотографии частиц радиусом 2, 5 мкм в начале (сверху)и конце (снизу) активной зоны микроканала. (б,в,г) Гистограммыпоперечного смещения частиц ∆y для начала (голубая гистограмма) иконца (зеленая гистограмма) активной зоны микроканала для радиусов0, 5 мкм, 1, 5 мкм и 2, 5 мкм (сверху вниз), аппроксимированныенормальным распределением.

Смещение вычисляется относительноцентра начального распределения.21Основные результаты и выводы1. Установлено, что угол оттекания для супергидрофобных «страйптекстур» является изотропным и нелинейно увеличивается с ростомφтв . Зависимость от фракции твердого при этом определяетсяскейлингом φ2тв ln φтв .2. Установлено, что краевой угол натекания в общем случае являетсяанизотропным. Для косинуса продольного угла натекания характеренлинейный рост при увеличении φтв , а косинус поперечного углазначительно меньше и имеет максимум при φтв ' 0, 5. Различиямежду продольным и поперечным направлениями объясняютсявкладом энергии сильных дефектов, которая пропорциональна φ2тв .3.

Показано, что потеря устойчивости супергидрофобного состоянияКасси в зависимости от φтв может осуществляться по двумпринципиально различным механизмам: механизму «прокалывания»для разреженных текстур и механизму «пропитки» для концентрированных текстур.4. Теоретические формулы, связывающие длину эффективного скольжения с параметрами анизотропной супергидрофобной текстуры,подтверждены компьютерным моделированием и экспериментальными измерениями силы гидродинамического сопротивления, действующей на сферическую частицу, приближающуюся к супергидрофобнойповерхности.5. Разработан метод разделения микрочастиц по размеру в тонкомканале с использованием поперечного потока, возникающего вблизианизотропной супергидрофобной стенки.22Список литературы1.

Cassie A., Baxter S. Wettability of porous surfaces // Trans. Faraday Soc. —1944. — Vol. 40. — P. 546–551.2. Vinogradova O. I. Drainage of a thin liquid film confined betweenhydrophobic surfaces // Langmuir. — 1995. — Vol. 11. — P. 2213–2220.3. Vinogradova O.

I., Yakubov G. E. Dynamic effects on force measurements.2. lubrication and the atomic force microscope // Langmuir. — 2003. —Vol. 19. — P. 1227–1234.4. Asmolov E. S., Belyaev A. V., Vinogradova O. I. Drag force on a spheremoving toward an anisotropic superhydrophobic plane // Phys. Rev. E. —2011. — Vol. 84. — P. 026330.5. Vinogradova O. I., Belyaev A. V. Wetting, roughness and flow boundaryconditions // J. Phys.: Condens. Matter. — 2011. — Vol. 23.

— P. 184104.6. Belyaev A. V., Vinogradova O. I. Effective slip in pressure-driven flow pastsuper-hydrophobic stripes // J. Fluid Mech. — 2010. — Vol. 652. — P. 489–499.7. Nizkaya T. V., Asmolov E. S., Vinogradova O. I. Gas cushion model andhydrodynamic boundary conditions for superhydrophobic textures // Phys.Rev.

E. — 2014. — Oct. — Vol. 90. — P. 043017.23Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:Статьи в журналах из списка рекомендованных ВАК:1. Vinogradova O. I., Dubov A. L. Superhydrophobic textures formicrofluidics // Mend. Commun.— 2012.— Vol. 22, no. 5.— P. 229–236.2. Dubov A. L., Teisseire J., Barthel E. Elastic instability and contact angleson hydrophobic surfaces with periodic textures // EPL.— 2012.— Vol. 97,no. 2.— P.

26003.3. Dubov A. L., Perez-Toralla K., Letailleur A., Barthel E., Teisseire J.Superhydrophobic silica surfaces: fabrication and stability // J.Micromech. Microeng.— 2013.— Vol. 23.— P. 125013.4. DubovA.L.,SchmieschekS.,AsmolovE.S.,HartingJ.,Vinogradova O. I. Lattice-Boltzmann simulations of the drag forceon a sphere approaching a superhydrophobic striped plane // J. Chem.Phys.— 2014.— Vol. 140.— P.

034707.5. Dubov A. L., Mourran A., Möller M., Vinogradova O. I. Contact anglehysteresis on superhydrophobic stripes // J. Chem. Phys.— 2014.—Vol. 141.— P. 074710.6. Asmolov E. S., Dubov A. L., Nizkaya Т. V., Kuehne A. J. C.,Vinogradova O. I. Principles of transverse flow fractionation ofmicroparticles in superhydrophobic channels // Lab Chip.— 2015.—Vol.

15.— P. 2835–2841.7. Dubov A. L., Mourran A., Möller M., Vinogradova O. I. Regimes ofwetting transitions on superhydrophobic textures conditioned by energyof receding contact lines // Appl. Phys. Lett.— 2015.— Vol. 106.—P. 241601.Тезисы конференций:1. Дубов А. Л., Teisseire J., Barthel E. Получение супергидрофобныхмикротекстур с использованием метода наноимпринт-литографии //24VI Конференция молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭРАН «Физикохимия–2011».— Москва.— 1–30 ноября 2011.— Тезисыдокладов, с. 42.2.

Дубов А. Л., Виноградова О. И. Смачивание анизотропных супергидрофобных текстур // VII Конференция молодых ученых, аспирантови студентов ИФХЭ РАН «Физикохимия–2012».— Москва.— 13–16ноября 2012.— Тезисы докладов, с. 15.3. Дубов А. Л., Асмолов Е. С., Виноградова О. И. Компьютерноемоделирование течения жидкости при движении гидрофильной сферы к супергидрофобной поверхности // VIII Конференция молодыхученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН «Физикохимия–2013».—Москва.— 11–13 ноября 2013.— Тезисы докладов, с. 12.4. Gauthier A., Rivetti M., Dubov A., Perez-Toralla K., Barthel E.,Teisseire J.

Controlling wetting through surface engineering //Nanoimprint and Nanoprint Technology.— Barcelona.— 21–23 октября2013.5. Дубов А. Л., Асмолов Е. С., Виноградова О. И. Поперечноеразделение частиц в супергидрофобной микрофлюидике // IXКонференция молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭРАН «Физикохимия–2014».— Москва.— 1–5 декабря 2014.— Тезисыдокладов, с. 12.6. Дубов А. Л., Низкая Т. В. Разделение частиц в микроканалахс анизотропной супергидрофобной текстурой // Материалы Международного молодежного научного форума «Ломоносов–2015».—Москва.— 13–17 апреля 2015.25.