3D打印界面活性粒子，利用馬蘭戈尼效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)

2024年12月9日,，南極熊獲悉,，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的物理學(xué)家開(kāi)發(fā)出了一種3D 打印粒子,。這種粒子在獲得適當(dāng)燃料的情況下,，能夠利用馬蘭戈尼效應(yīng)能夠自行在流體表面推進(jìn)。

研究小組在arXiv線上發(fā)布了一篇題為“3D-Printed Marangoni-Driven Active Particles at an Interface”的論文,。

相關(guān)論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2411.16011

圖1：馬蘭戈尼驅(qū)動(dòng)粒子的設(shè)計(jì)理念,、制造工藝和推進(jìn)機(jī)制：a) 顆粒的概念設(shè)計(jì)橫截面。b) 3D設(shè)計(jì),、G-code切片和3D打印最終設(shè)計(jì)的過(guò)程,。c) 顆粒釋放熒光標(biāo)記的燃料并在表面自推進(jìn)。d) 單出口50%乙醇驅(qū)動(dòng)顆粒的軌跡,。顏色表示顆粒的瞬時(shí)速度,。e) 與面板d相同，但顏色表示瞬時(shí)角速度的大小,。f) 單出口顆粒軌跡（n = 3）,，使用10%、15%,、20%,、30%和50%乙醇燃料濃度。g) 燃料類(lèi)型之間的表面張力關(guān)系,。h) 不同乙醇濃度下的速度分布,。i) 不同乙醇濃度下的角速度分布,。（圖片來(lái)源：arXiv）

馬蘭戈尼效應(yīng)的具體表現(xiàn)

馬蘭戈尼效應(yīng)是指表面張力低于周?chē)�流體的液滴在流體表面擴(kuò)散而不是混合,。一個(gè)常見(jiàn)的例子是酒精在水面上擴(kuò)散直至蒸發(fā)。利用這一現(xiàn)象,，研究人員設(shè)計(jì)了能夠通過(guò)釋放酒精作為燃料自我推進(jìn)的粒子,。

這些粒子被 3D 打印成空心冰球狀，直徑約為 1 厘米,�,？招脑O(shè)計(jì)使它們具有浮力，每個(gè)粒子都包含一個(gè)內(nèi)部“燃料箱”,，里面裝滿了酒精,。當(dāng)粒子被放在水中時(shí)，一個(gè)小針孔可讓酒精逐漸逸出,，從而產(chǎn)生連續(xù)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),，推動(dòng)粒子向前移動(dòng),。

圖2：水面上的顆粒相互作用。a) 疏水顆粒在表面相互吸引,，而活躍顆粒則避免并可能排斥其他顆粒,。同時(shí)，疏水壁面排斥顆粒,。b) 兩個(gè)顆粒通過(guò)變形界面連接的側(cè)視圖（Cheerios效應(yīng)）,。c) 多次測(cè)試中兩個(gè)顆粒之間的距離，最初位于不同位置,。d) 顆粒相互作用的演示,。頂部顆粒附著在一個(gè)柔性懸臂上，而底部顆粒則固定在位置上,，使用剛性（黑色）懸臂,。最初，當(dāng)非運(yùn)動(dòng)顆粒足夠接近時(shí),，它們會(huì)相互附著,。當(dāng)通過(guò)注入燃料激活頂部顆粒時(shí)，顆粒通過(guò)水動(dòng)力作用相互排斥,。最終,，當(dāng)運(yùn)動(dòng)能力減弱且燃料耗盡時(shí)，Cheerios力再次占主導(dǎo)地位,，顆粒相互吸引（見(jiàn)補(bǔ)充視頻3）,。e) Marangoni流動(dòng)和排斥的開(kāi)始可視化。底部顆粒未供能并固定在其位置上,，而頂部顆粒附著在懸臂上,，使用含有0.1%熒光素染料的30%乙醇-水混合物供能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)表明,，酒精濃度越高,，粒子的運(yùn)動(dòng)速度越快，速度可達(dá)每秒 6 厘米,。研究人員還發(fā)現(xiàn),，粒子在耗盡燃料之前最多可以移動(dòng) 500 秒。研究人員還測(cè)試了較大的粒子,，多個(gè)粒子之間的相互作用產(chǎn)生了“Cheerio 效應(yīng)”,，即單個(gè)粒子相互吸引并一起移動(dòng)——就像牛奶中的谷物團(tuán)塊一樣。

圖3：多體主動(dòng)Cheerios系統(tǒng)的動(dòng)態(tài),。頂部和底部部分分別表示兩個(gè)或多個(gè)顆粒的實(shí)驗(yàn),。a) 30%乙醇供能顆粒在t=16秒時(shí)的工作壽命示例，在t=29秒時(shí)接近容納邊界,，以及在t=42秒時(shí)的組裝狀態(tài),。b) 10%,、15%、20%,、30%和50%乙醇濃度燃料的最終組裝時(shí)間,。c) 在組裝前后，繪制10%乙醇燃料電動(dòng)機(jī)的分離距離（ds）隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng),。d) 在組裝前后,，繪制30%乙醇燃料電動(dòng)機(jī)的分離距離隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)。e) 三個(gè)主動(dòng)顆粒在一個(gè)限制環(huán)內(nèi)（比率6:1）,，在容納處周?chē)�移�?dòng),，并聚集成連接的軌道（見(jiàn)補(bǔ)充視頻5）。f) 11顆粒系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和聚集,，使用特殊雙出口設(shè)計(jì),，初始完全緊湊配置，釋放,、運(yùn)動(dòng),，并最終組裝成多顆粒組。

潛在應(yīng)用

研究人員表示,，他們的 3D 打印自推進(jìn)粒子可以啟發(fā)環(huán)境和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的新解決方案,。例如：

• 環(huán)境清理：這些顆粒可能有助于收集或去除液體表面的污染物,。

• 化學(xué)包覆：顆�,？梢詫⒒瘜W(xué)物質(zhì)均勻分散在流體表面，為傳統(tǒng)的混合方法提供了一種替代方法,。

圖4：用于工程推進(jìn)方向的多顆粒構(gòu)建,。a) 帶有熒光燃料的單出口設(shè)計(jì)。b) 不同乙醇濃度下單出口顆粒的平均速度,。c) 帶有熒光燃料的手性顆粒,。d) 不同乙醇濃度下手性顆粒的角速度。e) 模塊化構(gòu)建的示意圖,。f) 不同模塊化顆粒組合的陣列,，用于（i）線性運(yùn)動(dòng)，（ii）曲線運(yùn)動(dòng),，（iii）軸向旋轉(zhuǎn)，以及（iv）非軸向旋轉(zhuǎn),。

通過(guò)增材制造進(jìn)行創(chuàng)新

這項(xiàng)研究凸顯了 3D 打印在創(chuàng)建復(fù)雜,、功能性設(shè)計(jì)方面的多功能性，這些設(shè)計(jì)可以與環(huán)境動(dòng)態(tài)交互,。通過(guò)將增材制造與基本物理原理相結(jié)合,，研究團(tuán)隊(duì)為從環(huán)境科學(xué)到工業(yè)加工等領(lǐng)域的新應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén),。