3D打印界面活性粒子，利用馬蘭戈尼效應可實現(xiàn)自驅動

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

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。

相關論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2411.16011

圖1：馬蘭戈尼驅動粒子的設計理念、制造工藝和推進機制：a) 顆粒的概念設計橫截面。b) 3D設計、G-code切片和3D打印最終設計的過程。c) 顆粒釋放熒光標記的燃料并在表面自推進。d) 單出口50%乙醇驅動顆粒的軌跡。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）

馬蘭戈尼效應的具體表現(xiàn)

馬蘭戈尼效應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，研究人員設計了能夠通過釋放酒精作為燃料自我推進的粒子。

這些粒子被 3D 打印成空心冰球狀，直徑約為 1 厘米�？招脑O計使它們具有浮力，每個粒子都包含一個內部“燃料箱”，里面裝滿了酒精。當粒子被放在水中時，一個小針孔可讓酒精逐漸逸出，從而產生連續(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視圖（Cheerios效應）。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，當非運動顆粒足夠接近時，它們會相互附著。當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，當運動能力減弱且燃料耗盡時，Cheerios力再次占主導地位，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。

實驗結果

實驗表明，酒精濃度越高，粒子的運動速度越快，速度可達每秒 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生了“Cheerio 效應”，即單個粒子相互吸引并一起移動——就像牛奶中的谷物團塊一樣。

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（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。

潛在應用

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

• 環(huán)境清理：這些顆�？赡苡兄�于收集或去除液體表面的污染物。

• 化學包覆：顆�？梢詫⒒瘜W物質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：用于工程推進方向的多顆粒構建。a) 帶有熒光燃料的單出口設計。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，以及（iv）非軸向旋轉。

通過增材制造進行創(chuàng)新

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