Defekte im 3D-Druck zur Steuerung von Flüssigkeiten nutzen

Nach herkömmlicher Auffassung ist die Ausbreitungsrichtung von Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Eigenschaften von der Gestaltung der Oberflächen abhängig und kann nicht angepasst werden. Eine kürzlich in Science veröffentlichte Arbeit hat jedoch gezeigt, dass es möglich ist, Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Oberflächenspannungen dazu zu bringen, ihre Ausbreitungsrichtung auf ein und derselben Oberfläche zu wählen, die aus 3D Macro Ratchets mit doppelter einspringender Krümmung besteht.

Die Herstellung dieser Strukturen benötigt 3D-Druck und Polierbehandlungen, was komplex und für praktische Anwendungen unpraktisch ist. Eine Studie im International Journal of Extreme Manufacturing zeigt, wie man diese Prozesse vereinfachen und gleichzeitig die Flüssigkeitslenkung beibehalten kann.

“Sie bietet ein neues Oberflächendesign, das einfach herzustellen oder zu replizieren ist, ohne die Funktion der Richtungssteuerung von Flüssigkeiten zu beeinträchtigen”, so Zuankai Wang, Professor am Department of Mechanic Engineering der Hong Kong Polytechnic University und korrespondierender Autor der Studie. “Im Wesentlichen geht es um neue Möglichkeiten, den oft übersehenen oder nutzlosen Teil von Materialien zu nutzen, um die gewünschte Funktion zu realisieren”, sagte Jing Sun (Postdoc an der City University of Hong Kong), der Erstautor der Studie.

Die Studie bricht mit einer über 200 Jahre alten Auffassung, dass Flüssigkeiten immer in Richtungen transportiert werden, die die Oberflächenenergie verringern. Die Forschenden entdeckten, dass Flüssigkeiten sich auf einer speziellen 3D-Ratsche sogar in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten können.

Die Forschung ist damit noch nicht abgeschlossen.

“Wir sind neugierig, wie und in welchem Ausmaß die Strukturen der zweiten Ebene mit Mikrorillen die Ausbreitungsdynamik von Flüssigkeiten korrigieren können, also haben wir Ratschen mit Mikrorillen vorbereitet, die in verschiedenen Richtungen angeordnet sind”, sagt Sun.

Die Experimente zeigten, dass die Ausrichtung der Mikrorillen in der Tat eine dominante Rolle bei der Regulierung von Flüssigkeiten mit mäßiger Benetzbarkeit spielt, und dass sich Flüssigkeiten sogar in entgegengesetzte Richtungen auf Ratschen ausbreiten können, deren Mikrorillen senkrecht und parallel zur Kipprichtung der Ratsche ausgerichtet sind.

“Mikrorillen, die senkrecht zur Kipprichtung der Ratsche angeordnet sind, dienen als Verzögerungsventil, um die Ausbreitung von Flüssigkeiten auf der Seitenfläche der Ratsche zu verlangsamen, während Mikrorillen, die parallel zur Kipprichtung der Ratsche angeordnet sind, die Ausbreitung von Flüssigkeiten durch Kapillardochtwirkung fördern würden, so dass letzteres für die Rückwärtsausbreitung von Flüssigkeiten vorteilhafter ist”, sagte Wang.

Das Team forscht weiterhin an den Mechanismen der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und Festkörper.

“Das, was wir wissen, ist nur die Spitze des Eisbergs. Mit fortschrittlicheren Visualisierungswerkzeugen können wir herausfinden, wie die flüssigen und festen Strukturen auf der Mikroskala interagieren, oder wir können sogar weitere Funktionen einführen, indem wir den Materialien verschiedene Bestandteile hinzufügen”, sagte Prof. Wang.