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

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)動粒子的設(shè)計理念、制造工藝和推進(jìn)機制：a) 顆粒的概念設(shè)計橫截面。b) 3D設(shè)計、G-code切片和3D打印最終設(shè)計的過程。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)動顆粒的軌跡。顏色表示顆粒的瞬時速度。e) 與面板d相同，但顏色表示瞬時角速度的大小。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圍流體的液滴在流體表面擴散而不是混合。一個常見的例子是酒精在水面上擴散直至蒸發(fā)。利用這一現(xiàn)象，研究人員設(shè)計了能夠通過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)計使它們具有浮力，每個粒子都包含一個內(nèi)部“燃料箱”，里面裝滿了酒精。當(dāng)粒子被放在水中時，一個小針孔可讓酒精逐漸逸出，從而產(chǎn)生連續(xù)的擴散運動，推動粒子向前移動。

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，疏水壁面排斥顆粒。b) 兩個顆粒通過變形界面連接的側(cè)視圖（Cheerios效應(yīng)）。c) 多次測試中兩個顆粒之間的距離，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)非運動顆粒足夠接近時，它們會相互附著。當(dāng)通過注入燃料激活頂部顆粒時，顆粒通過水動力作用相互排斥。最終，當(dāng)運動能力減弱且燃料耗盡時，Cheerios力再次占主導(dǎo)地位，顆粒相互吸引（見補充視頻3）。e) Marangoni流動和排斥的開始可視化。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。

實驗結(jié)果

實驗表明，酒精濃度越高，粒子的運動速度越快，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 500 秒。研究人員還測試了較大的粒子，多個粒子之間的相互作用產(chǎn)生了“Cheerio 效應(yīng)”，即單個粒子相互吸引并一起移動——就像牛奶中的谷物團(tuán)塊一樣。

圖3：多體主動Cheerios系統(tǒng)的動態(tài)。頂部和底部部分分別表示兩個或多個顆粒的實驗。a) 30%乙醇供能顆粒在t=16秒時的工作壽命示例，在t=29秒時接近容納邊界，以及在t=42秒時的組裝狀態(tài)。b) 10%、15%、20%、30%和50%乙醇濃度燃料的最終組裝時間。c) 在組裝前后，繪制10%乙醇燃料電動機的分離距離（ds）隨時間變化的運動。d) 在組裝前后，繪制30%乙醇燃料電動機的分離距離隨時間變化的運動。e) 三個主動顆粒在一個限制環(huán)內(nèi)（比率6:1），在容納處周圍移動，并聚集成連接的軌道（見補充視頻5）。f) 11顆粒系統(tǒng)的運動和聚集，使用特殊雙出口設(shè)計，初始完全緊湊配置，釋放、運動，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。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）線性運動，（ii）曲線運動，（iii）軸向旋轉(zhuǎn)，以及（iv）非軸向旋轉(zhuǎn)。

通過增材制造進(jìn)行創(chuàng)新

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