DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-68237-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507230
تاريخ النشر: 2026-01-08
المؤلف: Songjie Dai وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميكا السوائل والأفلام الرقيقة
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا للتحكم في ترطيب السوائل على الأسطح الصلبة، مع التركيز على نوع جديد من الميكروهيكل ذو القمة الكتلية الذي يسمح بانتشار القطرات في 0 إلى 4 اتجاهات دون الحاجة إلى طاقة خارجية. يتم إثبات هذه القدرة تحت سيناريوهات إيداع قطرة واحدة وحقن سائل مستمر. يمكن أن يتخذ الميكروهيكل أشكالًا متقاطعة أو مربعة، والتي تت correspond إلى نسب تغطية عالية ومنخفضة لفيلم السلف، على التوالي.
يكشف الدراسة أن الميكروهيكل ذو القمة المتقاطعة يعزز من قابلية التحكم في انتشار القطرات بسبب تأثير السحب لفيلم السلف، بينما يوجه الميكروهيكل ذو القمة المربعة فيلم السلف بشكل أساسي بسبب نسبة التغطية المنخفضة. تشير التحليلات الميكانيكية إلى أن القوى الشعرية الناتجة عن الفجوات الضيقة بين القمم المجاورة تلعب دورًا حاسمًا في فصل فيلم السلف، مما يؤثر على التفاعل بين القطرات والفيلم. تشير النتائج إلى تطبيقات محتملة في تعزيز التشحيم وتبريد التبخر الذكي، مما يبرز أهمية الشكل ونسبة التغطية في تحقيق انتشار سائل متعدد الاتجاهات.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على الدور الحاسم للتحكم في قابلية ترطيب السوائل على الأسطح الصلبة في تطبيقات متنوعة، بما في ذلك الميكروفلويديات، وجمع المياه، وإدارة الحرارة، والتحليل البيوكيميائي، والتشحيم. تسلط الضوء على كيفية استخدام الأنظمة الطبيعية، مثل الحافة المحيطة لنبتة Nepenthes alata وشوك الصبار، لهياكل ميكروية معقدة وتدرجات في القابلية للترطيب لتسهيل انتشار السوائل في اتجاهات معينة. بينما حققت الأسطح الاصطناعية الحالية تقدمًا في تحقيق نقل السوائل متعدد الاتجاهات من خلال هندسات معقدة، فإنها غالبًا ما تواجه تحديات تتعلق بتعقيد التصنيع، وقابلية التوسع، والاعتماد على مصادر الطاقة الخارجية.
لمعالجة هذه القيود، يقدم الدراسة ميكروهيكل جديد ذو قمة كتلية مصمم للانتشار الذاتي متعدد الاتجاهات للسائل دون الحاجة إلى إدخال طاقة خارجية. يدعم هذا التصميم المبتكر خمسة سلوكيات انتشار مميزة—التثبيت، الاتجاه الأحادي، الاتجاه الثنائي، الاتجاه الثلاثي، والاتجاه الرباعي—عبر مجموعة واسعة من توترات سطح السائل. تشمل الآليات وراء هذه القدرة قوى شعرية محلية توجه حركة السائل، كما تم تأكيده من خلال محاكاة ديناميكا السوائل الحاسوبية والتصوير عالي السرعة. علاوة على ذلك، يظهر التصميم قابلية التكيف المزدوج لكل من الانتشار السريع بدون مضخة والتشغيل المستمر تحت الحقن المستمر، مما يظهر إمكانيات كبيرة للتطبيقات في التشحيم وإدارة الحرارة. بشكل عام، يعزز هذا العمل تصميم الأسطح الذكية لمعالجة السوائل من خلال دمج الانتشار متعدد الاتجاهات مع البساطة الهيكلية والمرونة.
طرق
في هذه الدراسة، تم إعداد خلطات من الإيثانول والماء منزوع الأيونات بتركيزات حجمية متفاوتة من 0%، 20%، 40%، 60%، 80%، و100% للتحقيق في تأثيراتها على خصائص معينة. كان الإيثانول المستخدم من درجة تحليلية، تم الحصول عليه من شركة Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd.، بينما تم الحصول على الماء منزوع الأيونات من شركة Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. بالإضافة إلى ذلك، تم اختيار ثلاثة زيوت ذات لزوجة مميزة—زيت أبيض، زيت بارافين، وزيت خروع—لتحليل مقارن، جميعها تم الحصول عليها من نفس المورد. كانت جميع المواد الكيميائية المستخدمة في التجارب من درجة تحليلية وتم استخدامها دون مزيد من التنقية، مما يضمن سلامة ظروف التجربة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في الورقة البحثية النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المرجح أن تكون نتيجة للصدفة.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يتنبأ بدقة بالنتائج، كما يتضح من قيمة معامل التحديد العالية ($R^2$)، مما يشير إلى توافق قوي مع البيانات الملاحظة. علاوة على ذلك، تكشف التحليلات أن بعض المعلمات لها تأثير أكثر وضوحًا على النتائج، مما يبرز أهميتها في سياق الدراسة. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في تقديم رؤى قيمة حول سؤال البحث وتدعم الفرضيات المطروحة في المقدمة.
مناقشة
تناقش البحث تصميم ووظائف الميكروهياكل ذات القمة الكتلية، وبشكل خاص تكوينات القمة المتقاطعة والقمة المربعة، التي تؤثر بشكل كبير على سلوكيات انتشار السوائل. يتميز الميكروهيكل ذو القمة المتقاطعة بكتلة على شكل صليب مع أربع قمم، مما يسمح بخمسة أوضاع مميزة لانتشار القطرات، بما في ذلك التثبيت C وأوضاع انتشار اتجاهية مختلفة (C-mode I-IV). تم تعريف ومعالجة المعلمات الهندسية للميكروهيكل، مثل زوايا القمة والأطوال، بدقة باستخدام تقنية الفوتوليثوغرافي، مما يضمن دقة عالية. تكشف الدراسة أن ترتيب القمم يلعب دورًا حاسمًا في توجيه انتشار القطرات، حيث يظهر الهيكل ذو القمة المتقاطعة سلوكًا غير متساوي ملحوظ وديناميات انتشار أسرع مقارنة بالهيكل ذو القمة المربعة، الذي يحافظ على انتشار شبه متساوي.
تشير النتائج إلى أن القوى الشعرية المحلية الناتجة عن هندسة القمة تحدد اتجاه انتشار كل من جسم القطرات وفيلم السلف. تقيم البحث سلوك الانتشار كميًا من خلال مقاييس مختلفة، بما في ذلك تطبيع الطول الاتجاهي وتحليل نصف القطر المعادل القائم على المساحة، مما يظهر أن الميكروهيكل ذو القمة المتقاطعة يعزز بشكل كبير الانتشار على طول المسارات المرغوبة بينما يظهر الهيكل ذو القمة المربعة تأثيرًا محدودًا في الاتجاه. بالإضافة إلى ذلك، تستكشف الدراسة آثار توتر السطح واللزوجة على ديناميات الانتشار، concluding أن توتر السطح يقود بشكل أساسي الانتشار متعدد الاتجاهات، بينما تؤثر اللزوجة على سرعة الانتشار. تسلط النتائج الضوء على التطبيقات المحتملة لهذه الميكروهياكل في تعزيز التشحيم وإدارة الحرارة، مما يظهر قدرتها على تسهيل معالجة السوائل الفعالة والتبريد في سياقات هندسية متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-68237-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507230
Publication Date: 2026-01-08
Author(s): Songjie Dai et al.
Primary Topic: Fluid Dynamics and Thin Films
Overview
The research presents a novel approach to controllable wetting of liquids on solid surfaces, focusing on a new type of bulk-cusp microstructure that allows for 0 to 4-directional droplet spreading without the need for external energy. This capability is demonstrated under both single-drop deposition and continuous liquid injection scenarios. The microstructure can take on cross or square shapes, which correspond to high and low coverage ratios of the precursor film, respectively.
The study reveals that the cross-cusp microstructure enhances the controllability of droplet spreading due to the drag effect of the precursor film, while the square-cusp microstructure primarily guides the precursor film due to its lower coverage ratio. Mechanistic analysis indicates that capillary forces from the narrow gaps between adjacent cusps play a crucial role in separating the precursor film, thereby influencing the interaction between the droplet and the film. The findings suggest potential applications in lubrication enhancement and smart evaporation cooling, highlighting the significance of shape and coverage ratio in achieving multi-directional liquid spreading.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the critical role of controlling liquid wettability on solid surfaces in various applications, including microfluidics, water harvesting, thermal management, biochemical analysis, and lubrication. It highlights how natural systems, such as the peristome of Nepenthes alata and cactus spines, utilize complex microstructures and wettability gradients to facilitate directional liquid spreading. While existing artificial surfaces have made strides in achieving multidirectional liquid transport through intricate geometries, they often face challenges related to fabrication complexity, scalability, and reliance on external energy sources.
To address these limitations, the study introduces a novel bulk-cusp microstructure designed for multi-directional liquid self-spreading without the need for external energy input. This innovative design supports five distinct spreading behaviors—pinning, unidirectional, bidirectional, tri-directional, and quaddirectional—across a wide range of liquid surface tensions. The mechanisms behind this capability involve localized capillary forces that guide liquid movement, as confirmed by computational fluid dynamics simulations and high-speed imaging. Furthermore, the design demonstrates dual adaptability for both rapid pump-free spreading and sustained operation under continuous injection, showcasing significant potential for applications in lubrication and thermal management. Overall, this work advances the design of smart liquid-handling surfaces by combining multidirectional spreading with structural simplicity and versatility.
Methods
In this study, ethanol-deionized water mixtures were prepared at varying volume concentrations of 0%, 20%, 40%, 60%, 80%, and 100% to investigate their effects on specific properties. The absolute ethanol used was of analytical grade, sourced from Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd., while deionized water was obtained from Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. Additionally, three oils with distinct viscosities—white oil, paraffin oil, and castor oil—were selected for comparative analysis, all acquired from the same supplier. All reagents utilized in the experiments were of analytical grade and were employed without further purification, ensuring the integrity of the experimental conditions.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the variables studied, with statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance.
Additionally, the results demonstrate that the proposed model accurately predicts outcomes, as evidenced by a high coefficient of determination ($R^2$) value, indicating a strong fit to the observed data. Furthermore, the analysis reveals that certain parameters have a more pronounced impact on the results, highlighting their importance in the context of the study. Overall, these findings contribute valuable insights into the research question and support the hypotheses put forth in the introduction.
Discussion
The research discusses the design and functionality of bulk-cusp microstructures, specifically the cross-cusp and square-cusp configurations, which significantly influence liquid spreading behaviors. The cross-cusp microstructure features a cross-shaped bulk with four cusps, allowing for five distinct droplet spreading modes, including C-pinning and various directional spreading modes (C-mode I-IV). The geometric parameters of the microstructure, such as cusp angles and lengths, were meticulously defined and fabricated using photolithography, ensuring high precision. The study reveals that the arrangement of cusps plays a crucial role in guiding droplet spreading, with the cross-cusp structure exhibiting pronounced anisotropic behavior and faster spreading dynamics compared to the square-cusp structure, which maintains nearly isotropic spreading.
The findings indicate that the local capillary forces generated by the cusp geometry dictate the spreading direction of both the droplet body and the precursor film. The research quantitatively assesses the spreading behavior through various metrics, including directional length normalization and area-based equivalent radius analysis, demonstrating that the cross-cusp microstructure significantly enhances spreading along desired pathways while the square-cusp structure exhibits limited directional influence. Additionally, the study explores the implications of surface tension and viscosity on spreading dynamics, concluding that surface tension primarily drives multi-directional spreading, while viscosity affects the speed of spreading. The results highlight the potential applications of these microstructures in lubrication enhancement and thermal management, showcasing their ability to facilitate efficient liquid handling and cooling in various engineering contexts.