工程师开发了可以积极控制流体或粒子移动的表面

照片显示坐在铁磁流体浸渍表面上的水滴，其与非常薄层覆盖液滴。图片由研究人员提供。

使用微线条表面，横跨几微米的凸起或脊，工程师开发了一种制作表面的新方式，可以积极控制流体或粒子在它们穿过它们之间的移动。

麻省理工学院和沙特阿拉伯的研究人员制定了一种制作表面的新方法，可以积极控制流体或粒子如何在它们上移动。该工作可能能够实现新型的生物医学或微流体装置，或者可以自动清洁灰尘和砂砾的太阳能电池板。

“大多数表面都是被动的，”麻省理工学院机械工程副教授Kripa Varanasi说，一篇文章的高级作者，描述了期刊应用物理信件中的新系统。“他们依赖于重力或其他力量，移动流体或粒子。”

瓦拉纳西的团队决定使用外部领域，例如磁场，使表面有效，对粒子或液滴的行为进行精确控制。

该系统利用微纹理表面，凸块或脊几乎是几微米，然后用可以操纵的流体浸渍 - 例如，用微小的磁性颗粒注入的油，或者可以推动通过将磁场施加到表面来拉动。当水或微小颗粒的液滴放置在表面上时，流体的薄涂层覆盖它们，形成磁性斗篷。

观看水滴被拉动由麻省理工学院研究人员设计的“活跃”表面。视频：梅兰妮·戈尼克（Melanie Gonick）/麻省理工学院

然后，薄的磁化斗篷实际上可以拉动液滴或颗粒，因为层本身被磁力横跨表面绘制。在铁磁流体中，微小铁磁性颗粒，大约10纳米，在铁磁流体中可以允许精密控制 - 例如，在用于测试生物或化学样品的微流体装置中，通过将它们与各种试剂混合来测试生物或化学样品。与传统微流体的固定通道不同，这种表面可以具有可以在局部重新计算的“虚拟”通道。

虽然其他研究人员已经开发出使用磁性移动颗粒或流体的系统，但这些方法需要将材料移动到磁性，并且非常强的磁场移动以移动它们。新系统产生了一种超人物表面，使流体和颗粒在几乎没有摩擦下滑动，需要更少的力来移动这些材料。“这让我们可以获得具有小施工力量的高速度，”纸张的领先作者Mit Guarduber Karim Khalil说。

他说，新方法可能对一系列应用程序有用：例如，太阳能电池板和太阳能集中系统中使用的镜子可以在灰尘，水分或其他材料积聚在其表面上时，可以迅速损失其效率的显着百分比。但是，如果涂有这种有源表面材料，则可以使用短暂的磁脉冲扫除材料。

“污垢是这种镜子上的一个大问题，”瓦拉纳西说。“数据显示损失近1％的效率每周。”

但目前，即使在沙漠地区，抵抗这种污染的唯一方法就是软管阵列，一种劳动和水密集型方法。研究人员所说的新方法可能导致制造清洁过程的系统自动和无水分。

“在沙漠环境中，灰尘是每天出现的，”在沙特阿拉伯国王石油公司（Kfupm）的Co-Trangan Abu-Dheir Co-Trangan Abu-Dheir说。“灰尘问题基本上利用太阳能电池板比北美或欧洲更低。我们需要一种减少尘埃积累的方法。“

新的活性表面系统的一个优点是它对各种表面污染物的有效性：“你希望能够推进灰尘或液体，在表面上的许多材料，无论它们的属性如何，”瓦拉纳西说。

MIT Postdoc Seed Mahmoudi是本文的共同作者，指出，电场不能渗透到导电液中，如生物流体，因此传统系统将无法操纵它们。但是，通过这个系统，他说，“电导率并不重要。”

此外，这种方法对材料如何移动提供了极大的控制。“活性领域 - 如电动，磁，声场 - 已被用于操纵材料，”Khalil说。“但很少有你看过表面本身积极地与材料上的材料进行交互，”他说，这允许更高的精度。

虽然这一初步演示使用磁流体，但该团队表示可以使用其他力来施加相同的原理来操纵材料，例如电场或温度的差异。

Neelesh Patankar是一个没有参与这项工作的西北大学机械工程教授，说这项研究“介绍了一种新的基于液滴的微流体平台方法，这些方法在各种领域具有许多应用，包括生物技术。”他补充道，“这项工作巧妙地将低滞后液滴运动与低磁场驱动的液滴推进相结合，以实现令人印象深刻的能力。”

这项工作得到了MIT-KFUPM中心的清洁水和清洁能源的支持。

出版物：Karim S. Khalil等，“有源表面：铁磁流体 - 浸渍表面，用于积极操纵液滴，“Appl。物理来吧105,041604,2014; http://dx.doi.org/10.1063/1.4891439.

图像：麻省理工学院新闻，由研究人员提供