DOI: https://doi.org/10.1039/d5sm01184a
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41823334
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Filip Ferš وآخرون
الموضوع الرئيسي: تعديل السطح والخصائص الفائقة الكارهة للماء
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في ديناميات تمازج قطرات الماء بحجم المليمتر على الأسطح المعززة بالبلورات السائلة، وتحديدًا الأسطح المنقوشة المعززة بالبلورات السائلة (LCITS) والأسطح المسامية المعززة بالبلورات السائلة (LCIPS). باستخدام التصوير عالي السرعة، تحدد الدراسة عملية تمازج من ثلاث مراحل: جذب شعري على مدى بعيد، تصريف مواد التشحيم، والاندماج النهائي مع تذبذبات في المستوى. بينما تتماشى سرعات الاقتراب الأولية على LCITS مع التوقعات من نماذج الكتلة-الزنبرك الموجودة للأسطح المشبعة بالزيت، تظهر LCIPS جذبًا واندماجًا أقل بكثير بسبب وجود فيلم تشحيم أكثر سمكًا، مما يزيد من المقاومة الهيدروديناميكية.
تكشف النتائج أن ديناميات التمازج على LCIPS تنحرف عن التوقعات النظرية، خاصة خلال مرحلة الجذب حيث يتم تقليل السرعات وتكون مستقلة إلى حد كبير عن مرحلة البلورات السائلة. كما تشير الدراسة إلى أن أوقات التصريف تتأثر بالتبخر، حيث تظهر القطرات الأصغر أوقات تصريف أطول بسبب التحيزات التجريبية. تشير ديناميات ما بعد الاندماج إلى أن تحويل الطاقة الحرة السطحية إلى طاقة حركية أقل كفاءة مما تم التنبؤ به، خاصة على LCIPS. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على ضرورة دمج هندسة الحواف الرطبة والخصائص الريولوجية الخاصة بالبلورات السائلة في الأطر النظرية الحالية لوصف التمازج بدقة على هذه الأسطح. ستستكشف الأبحاث المستقبلية تأثيرات الإلكتروليتات على السلوك الواجهاتي وتقوم بتحسين النماذج لتعزيز توقعات ديناميات مواد التشحيم وتفاعلات القطرات على الأسطح المعززة بالبلورات السائلة.
مقدمة
تناقش المقدمة تطوير الأسطح المقاومة للسائل لمعالجة التحديات مثل التلوث البيولوجي، والتجمد، والتنظيف الذاتي. تتضمن طريقة بارزة إنشاء أسطح مسامية مشبعة بالسائل الزلق (SLIPS) عن طريق تشبع الركائز المنقوشة أو النانوية بمادة تشحيم تطرد السوائل غير القابلة للامتزاج. تشكل هذه المادة الزلقة فيلمًا ناعمًا وقابلًا للشفاء يقلل من تثبيت خط الاتصال، مما يسمح للقطرات بالانزلاق بسهولة. ومع ذلك، فإن أداء SLIPS حساس لعوامل مثل التوافق الكيميائي واستنفاد مادة التشحيم، والتي يمكن أن تحدث عندما تسحب القطرات مادة التشحيم إلى حافة رطبة عند قاعدتها.
قدمت التطورات الأخيرة مواد تشحيم وظيفية، مثل البلورات السائلة الحرارية (LCs)، التي تقدم خصائص قابلة للتعديل من خلال المحفزات الخارجية. يميز البحث بين نوعين من الأسطح المعززة بالبلورات السائلة: الأسطح المنقوشة المعززة بالبلورات السائلة (LCITS) والأسطح المسامية المعززة بالبلورات السائلة (LCIPS). تحقق كلا النوعين حركة قطرات تقريبًا خالية من الهسترس، لكنهما يختلفان في كيفية تثبيت مادة التشحيم—تعتمد LCITS على الميزات المجهرية، بينما تستخدم LCIPS شبكة نانوية. تهدف الدراسة إلى التحقيق تجريبيًا في ديناميات تمازج القطرات على هذه الأسطح، مقارنتها بالنماذج النظرية الحالية التي تم تطويرها لمواد التشحيم المتساوية. من خلال تحليل تأثير مرحلة LC وخصائص حافة الرطوبة على تفاعلات القطرات، تسعى الأبحاث إلى تحسين تصميم SLIPS المعتمدة على LC للتطبيقات في الميكروفلويديات ذات الأسطح المفتوحة.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون نوعين من البلورات السائلة الحرارية (LCs) لتحضير أفلام سائلة رقيقة على واجهات البلورات السائلة (LCITS) والأسطح المسامية المعززة بالبلورات السائلة (LCIPS). كانت البلورة السائلة الرئيسية المستخدمة هي 4-سيانو-4′-بنتيلبيفينيل (5CB)، التي تظهر مرحلة نيماتية بين 22.5 درجة مئوية و35 درجة مئوية. تم استخدام البلورة السائلة الثانوية، 4′-أوكتيل-4-بيفينيلكربونيتريل (8CB)، بالتزامن مع LCIPS وتظهر مرحلة سمكتية A في درجة حرارة الغرفة ومرحلة نيماتية بين 33.5 درجة مئوية و40.2 درجة مئوية. ركزت التجارب على المرحلتين النيماتية والمتساوية لكلا البلورتين السائليتين، حيث أثرت المرحلة السمكتية A بشكل كبير على زوايا انزلاق القطرات بسبب هيكلها الطبقي.
تم العثور على الخصائص الفيزيائية للمرحلتين المختارتين، بما في ذلك الكثافة واللزوجة، متشابهة لكلا البلورتين السائليتين، وتم توثيق توتر السطح المعتمد على درجة الحرارة في الهواء وتوتر الواجهة مع الماء. تم تحديد اللزوجة باستخدام معامل ميسوفيتش الثاني، الذي يُفترض أنه متماشي مع اتجاه التدفق. لتحضير LCIPS، تم الحصول على عدة مواد كيميائية، بما في ذلك محفز ضوئي ومونومر LC تفاعلي، من سيغما-ألدريتش. تضمنت عملية تصنيع مصفوفة الأعمدة الدقيقة تغليف رقائق السيليكون بمادة مقاومة للضوء، والتعرض للأشعة فوق البنفسجية لتعريف الأنماط، ثم الحفر الأيوني التفاعلي، تليها إزالة مادة المقاومة باستخدام بلازما الأكسجين. تم استخدام جميع المواد كما تم استلامها، مما يضمن اتساق الإعداد التجريبي.
نتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نتائج من التجارب التي تقارن سلوك أنظمة البلورات السائلة (LC)، وتحديدًا 5CB و8CB، مع النموذج النظري المقترح من قبل Xu وآخرين. تركز الدراسة على التوترات الواجهية واللزوجات لهذه البلورات السائلة في كل من المرحلتين النيماتية والمتساوية. يتم تعريف التوتر الواجهى الفعال على أنه \( g_{\text{eff}} = g_{\text{LC}} + g_{\text{LC,w}} \)، ويتم اختيار اللزوجة بناءً على اتجاه المخرج النيماتي بالنسبة للتدفق، مع استخدام أقل لزوجة ميسوفيتش \( Z_2 \) للمرحلة النيماتية. تشير النتائج إلى أن كلا البلورتين السائليتين تتصرفان كسوائل نيوتونية في المرحلة النيماتية، مع قياسات للزوجة تتراوح من 20 إلى 30 مPa·s، متوافقة مع الدراسات السابقة.
تسلط النتائج أيضًا الضوء على تشكيل حواف رطبة أثناء تمازج القطرات على الأسطح المعززة بالبلورات السائلة، التي تحكمها بشكل أساسي القوى الشعرية عند واجهة الماء-LC. يظهر ارتفاع الحافة الرطبة \( h_{\text{wr}} \) أنه يعتمد على توفر مادة التشحيم، مع قياسات تشير إلى \( h_{\text{wr}} \approx 0.6R \) للأسطح المسامية المعززة بالبلورات السائلة (LCIPS) في نظام التشحيم الزائد، بينما يتم ملاحظة ارتفاع أصغر قدره \( h_{\text{wr}} \approx 0.24R \) على الأسطح المنقوشة المعززة بالبلورات السائلة (LCITS) بسبب توفر مادة التشحيم المحدود. تختتم الدراسة بأن ديناميات التمازج وتشكيل الحواف الرطبة تتأثر أكثر بتوفر مادة التشحيم من الخصائص الريولوجية الجوهرية للبلورات السائلة، مما يتماشى مع النتائج المستخلصة من الأسطح المشبعة بالزيت.
نقاش
في هذا القسم، يتم تفصيل تحضير وتوصيف الأسطح المنقوشة المعززة بالبلورات السائلة (LCITS) والأسطح المسامية المعززة بالبلورات السائلة (LCIPS)، جنبًا إلى جنب مع ديناميات تمازج القطرات على هذه الأسطح. تم تفعيل الركائز وتغليفها بالبلورات السائلة (5CB و8CB)، وتم تحليل الهياكل الناتجة من حيث قدراتها على التحكم في القطرات. تضمنت الإعدادات التجريبية التحكم الدقيق في درجة الحرارة وتقنيات توليد القطرات، مما أتاح دراسة تفاعلات القطرات وديناميات التمازج.
تم تقسيم عملية التمازج إلى ثلاث مراحل: جذب القطرات الأولي عبر القوى الشعرية، تصريف مادة التشحيم، والاندماج. أشارت القياسات إلى أن سرعات الاقتراب للقطرات على LCITS كانت متوافقة مع التوقعات النظرية، بينما كانت تلك على LCIPS أقل بكثير، مما يُعزى إلى حجم حافة الرطوبة الأكبر الذي زاد من الكتلة الفعالة والمقاومة للحركة. تم أيضًا تحليل أوقات التصريف وسرعات الاندماج، مما كشف عن تناقضات مع النماذج النظرية، خاصة بالنسبة للقطرات الأصغر على LCIPS. اختتمت الدراسة بالقول إنه بينما كان السلوك النوعي لتمازج القطرات مشابهًا عبر كلا السطحين، فإن الاختلافات الكمية سلطت الضوء على تأثير شكل السطح وخصائص مادة التشحيم على ديناميات القطرات.
DOI: https://doi.org/10.1039/d5sm01184a
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41823334
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Filip Ferš et al.
Primary Topic: Surface Modification and Superhydrophobicity
Overview
This research investigates the coalescence dynamics of millimeter-sized water droplets on liquid crystal-infused surfaces, specifically LC-infused textured surfaces (LCITS) and LC-infused porous surfaces (LCIPS). Utilizing high-speed imaging, the study identifies a three-stage coalescence process: long-range capillary attraction, lubricant drainage, and final merging with in-plane oscillations. While the initial approach velocities on LCITS align with predictions from existing mass-spring models for oil-impregnated surfaces, LCIPS shows significantly reduced attraction and merging velocities due to a thicker lubricating film, which increases hydrodynamic resistance.
The findings reveal that the coalescence dynamics on LCIPS deviate from theoretical expectations, particularly during the attraction phase where velocities are suppressed and largely independent of the liquid crystal phase. The study also notes that drainage times are influenced by evaporation, with smaller droplets exhibiting longer drainage times due to experimental biases. Post-merging dynamics indicate that the conversion of surface free energy into kinetic energy is less efficient than predicted, especially on LCIPS. Overall, the results highlight the necessity of incorporating wetting-ridge geometry and liquid crystal-specific rheology into existing theoretical frameworks to accurately describe coalescence on these surfaces. Future research will explore the effects of electrolytes on interfacial behavior and further refine models to enhance predictions of lubricant dynamics and droplet interactions on liquid crystal-infused surfaces.
Introduction
The introduction discusses the development of liquid-repellent surfaces to address challenges such as biofouling, icing, and self-cleaning. A prominent method involves creating slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS) by infusing textured or nanoporous substrates with a lubricant that repels immiscible liquids. This lubricant forms a smooth, self-healing film that minimizes contact-line pinning, allowing droplets to slide off easily. However, the performance of SLIPS is sensitive to factors like chemical compatibility and lubricant depletion, which can occur as droplets siphon lubricant into a wetting ridge at their base.
Recent advancements have introduced functional lubricants, such as thermotropic liquid crystals (LCs), which offer tunable properties through external stimuli. The paper distinguishes between two types of LC-infused surfaces: LC-infused textured surfaces (LCITS) and LC-infused porous surfaces (LCIPS). Both types achieve nearly hysteresis-free droplet motion, but they differ in how they immobilize the lubricant—LCITS rely on microstructured features, while LCIPS utilize a nanoporous network. The study aims to experimentally investigate droplet coalescence dynamics on these surfaces, comparing them to existing theoretical models developed for isotropic lubricants. By analyzing the influence of LC phase and wetting ridge characteristics on droplet interactions, the research seeks to enhance the design of LC-based SLIPS for applications in open-surface microfluidics.
Methods
In this study, the authors employed two thermotropic liquid crystals (LCs) for the preparation of thin liquid films on liquid crystal interfaces (LCITS) and liquid crystal-infused porous surfaces (LCIPS). The primary LC used was 4-cyano-4′-pentylbiphenyl (5CB), which exhibits a nematic phase between 22.5 °C and 35 °C. The secondary LC, 4′-octyl-4-biphenylcarbonitrile (8CB), was utilized in conjunction with LCIPS and demonstrates a smectic A phase at room temperature and a nematic phase between 33.5 °C and 40.2 °C. The experiments focused on the nematic and isotropic phases of both LCs, as the smectic A phase significantly influenced droplet sliding angles due to its layered structure.
The physical properties of the selected mesophases, including density and viscosity, were found to be similar for both LCs, and their temperature-dependent surface tension in air and interfacial tension with water were documented. The viscosity was characterized using the second Miesowicz coefficient, assumed to be aligned with the flow direction. For LCIPS preparation, several chemicals, including a photoinitiator and reactive LC monomer, were sourced from Sigma-Aldrich. The fabrication of the micropillar array involved coating silicon wafers with photoresist, UV exposure for pattern definition, and subsequent reactive ion etching, followed by the removal of the photoresist using oxygen plasma. All materials were used as received, ensuring consistency in the experimental setup.
Results
In this section, the authors present results from experiments comparing the behavior of liquid crystal (LC) systems, specifically 5CB and 8CB, with the theoretical model proposed by Xu et al. The study focuses on the interfacial tensions and viscosities of these LCs in both nematic and isotropic phases. The effective interfacial tension is defined as \( g_{\text{eff}} = g_{\text{LC}} + g_{\text{LC,w}} \), and the viscosity is selected based on the orientation of the nematic director relative to the flow, with the lowest Miesowicz viscosity \( Z_2 \) being used for the nematic phase. The findings indicate that both LCs behave as Newtonian fluids in the nematic phase, with measured viscosities ranging from 20 to 30 mPa·s, consistent with prior studies.
The results also highlight the formation of wetting ridges during droplet coalescence on LC-infused surfaces, governed primarily by capillary forces at the water-LC interface. The wetting ridge height \( h_{\text{wr}} \) is shown to depend on the availability of lubricant, with measurements indicating \( h_{\text{wr}} \approx 0.6R \) for LC-infused porous surfaces (LCIPS) in the excess lubrication regime, while a smaller height of \( h_{\text{wr}} \approx 0.24R \) is observed on LC-infused textured surfaces (LCITS) due to limited lubricant availability. The study concludes that the dynamics of coalescence and wetting ridge formation are influenced more by lubricant availability than by the intrinsic rheological properties of the LCs, aligning with findings from oil-infused surfaces.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of liquid crystal-infused textured surfaces (LCITS) and liquid crystal-infused porous surfaces (LCIPS) are detailed, along with the dynamics of droplet coalescence on these surfaces. The substrates were functionalized and coated with liquid crystals (5CB and 8CB), and the resulting structures were analyzed for their droplet manipulation capabilities. The experimental setup involved precise temperature control and droplet generation techniques, enabling the study of droplet interactions and coalescence dynamics.
The coalescence process was divided into three stages: initial droplet attraction via capillary forces, lubricant drainage, and merging. Measurements indicated that the approach velocities of droplets on LCITS were consistent with theoretical predictions, while those on LCIPS were significantly lower, attributed to the larger wetting ridge volume that increased effective mass and resistance to motion. The drainage times and merging velocities were also analyzed, revealing discrepancies with theoretical models, particularly for smaller droplets on LCIPS. The study concluded that while the qualitative behavior of droplet coalescence was similar across both surfaces, quantitative differences highlighted the influence of surface morphology and lubricant properties on droplet dynamics.