Система, о которой сообщается в журнале Nature Communications, была разработана доцентом машиностроения Массачусетского технологического института Крипой Варанаси, профессором инженерной школы преподавания инноваций Гаретом МакКинли, бывшим постдоком Гибумом Квоном, аспирантом Дивьей Панчанатан, бывшим научным сотрудником Сейедом Махмуди и Мохаммедом. Гондал в Университете нефти и полезных ископаемых имени короля Фахда в Саудовской Аравии.
Первоначальной целью проекта было найти способы отделения нефти от воды, например, для обработки пенистой смеси соленой воды и сырой нефти, добываемой из определенных нефтяных скважин. Чем тщательнее перемешиваются эти смеси — чем мельче капли — тем труднее их разделить.
Иногда используются электростатические методы, но они энергоемкие и не работают, когда вода сильно соленая, как это часто бывает. Вместо этого команда исследовала использование «светочувствительных» поверхностей, реакция которых на воду может быть изменена воздействием света.
Создавая поверхности, взаимодействие которых с водой — свойство, известное как смачиваемость — может быть активировано светом, исследователи обнаружили, что они могут напрямую отделить нефть от воды, заставляя отдельные капли воды слиться и распространиться по поверхности. Чем больше капли воды сливаются, тем больше они отделяются от масла.
Светочувствительные материалы широко изучаются и используются; одним из примеров является активный ингредиент большинства солнцезащитных кремов, диоксид титана, также известный как диоксид титана. Но большинство этих материалов, в том числе диоксид титана, реагируют в первую очередь на ультрафиолетовый свет и почти не реагируют на видимый свет.
Однако только около 5 процентов солнечного света находится в ультрафиолетовом диапазоне. Таким образом, исследователи придумали способ обработать поверхность диоксида титана, чтобы сделать ее чувствительной к видимому свету.
Они сделали это, сначала используя технику послойного осаждения, чтобы создать пленку из связанных полимером частиц диоксида титана на слое стекла.
Затем они покрыли материал простым органическим красителем. Полученная поверхность оказалась очень чувствительной к видимому свету, что привело к изменению смачиваемости при воздействии солнечного света, которое намного больше, чем у самого диоксида титана. При активации солнечным светом, материал оказался очень эффективным при «деэмульгировании» водно-масляной смеси, заставляя воду и нефть отделяться друг от друга.
«Нас вдохновила работа в области фотоэлектрической энергии, где сенсибилизация красителем использовалась для повышения эффективности поглощения солнечного излучения», — говорит Варанси. «Связь красителя с частицами диоксида титана позволяет генерировать носители заряда при световом освещении. Это создает разность электрических потенциалов, которая устанавливается между поверхностью и жидкостью при освещении, и приводит к изменению смачивающих свойств."
«Соленая вода растекается по нашей поверхности при освещении, а нефть — нет», — говорит Квон, который сейчас является доцентом Канзасского университета. «Мы обнаружили, что практически вся морская вода будет растекаться по поверхности и отделяться от сырой нефти в видимом свете."
Тот же эффект можно использовать для движения капель воды по поверхности, как команда продемонстрировала в серии экспериментов. Путем выборочного изменения смачиваемости материала с помощью движущегося луча света, капля может быть направлена в более смачиваемую область, продвигая ее в любом желаемом направлении с большой точностью.
Такие системы могут быть разработаны для создания микрофлюидных устройств без встроенных границ или структур. Движение жидкости — например, образца крови в диагностической лаборатории на чипе — будет полностью контролироваться схемой освещения, проецируемой на нее.
«Систематически изучая взаимосвязь между уровнями энергии красителя и смачиваемостью контактирующей жидкости, мы разработали основу для конструкции этих световодных систем управления жидкостью», — говорит Варанаси. "Выбрав правильный тип красителя, мы можем существенно изменить динамику капель. Это движение под действием света — бесконтактное движение капель."
Переключаемая смачиваемость этих поверхностей имеет еще одно преимущество: они могут в значительной степени самоочищаться. Когда поверхность переключается с водоотталкивающей (гидрофильной) на водоотталкивающую (гидрофобную), любая вода с поверхности отгоняется, унося с собой любые загрязнения, которые могли накопиться.
Поскольку светочувствительный эффект основан на покрытии красителем, его можно точно настроить, выбрав один из тысяч доступных органических красителей. Исследователи говорят, что все материалы, участвующие в процессе, широко доступны, недорогие, товарные, а процессы их изготовления — обычное дело.