Elastoma ya kioo-kioevu (liquid crystal elastomer, LCE) ni nyenzo ya polima inayohisi kichocheo ambayo huunganisha mpangilio wa molekuli wa fuwele za kioevu na unyumbufu wa kimitambo wa mtandao wa elastoma uliounganishwa kwa viunganishi mtambuka. Katika utafiti huu, Shuhua Li, Yan Lin, Yanping Deng na Jiawen Chen waliunganisha upashaji wa fototermali unaozalishwa na LCE chini ya mwanga wa urujuanimno na uso wa polydimethylsiloxane (PDMS) wenye msuguano mdogo uliolainishwa kwa mafuta ya silikoni, na hivyo kutengeneza uso wa mchanganyiko unaoweza kusogeza matone ya maji kwa mwelekeo maalumu bila mgusano wa moja kwa moja. Katika majaribio, upande mmoja wa tone la 5 µL la maji yaliyopunguzwa ioni uliangaziwa ndani ya eneo dogo kwa mwanga wa UV wenye urefu wa wimbi wa 365 nm na nguvu ya 250 mW/cm². Juu ya uso wa mchanganyiko, tone lilisogea 16 mm kwa takriban sekunde 34 na kuonyesha kasi ya wastani ya 0.47 mm/s. Mwendo ulisimama mwanga wa UV ulipozimwa.

Mfumo unategemea tabaka mbili za kiutendaji kufanya kazi kwa pamoja. Tabaka la chini la LCE lililounganishwa mtambuka ndilo sehemu ya fototermali inayobadilisha mwanga wa UV kuwa ongezeko la joto la ndani. Tabaka la juu la PDMS lililolainishwa kwa mafuta ya silikoni hupunguza sana upinzani wa kimitambo wa tone linaposogea juu ya uso. Kupashwa kwa LCE pekee hakukutosha; uso wa PDMS-mafuta ya silikoni wenye msuguano mdogo pekee pia haukusogeza tone chini ya UV. Usafirishaji wa mwelekeo ulipatikana pale ambapo gradienti ya joto iliyotengenezwa na LCE iliambatana na msuguano mdogo wa uso wa PDMS uliolainishwa.

Uangazaji wa UV wa ndani ulipasha LCE kwenye upande wa tone uliokuwa umeangaziwa; tofauti hii ya joto ilibadilisha mvutano wa uso na wa kiolesura na kufanya pembe za mgusano katika pande mbili za tone zisilingane. Katika utafiti chanzo, utaratibu huu ulielezwa kwa mlinganyo wa Young, nguvu ya Young inayotokana na gradienti ya uloweshaji, na nguvu ya Marangoni inayotokana na gradienti ya mvutano wa uso inayosababishwa na joto. Mwendo wa mwelekeo wa tone ulihusishwa na jumla ya nguvu za Young na Marangoni kuzidi upinzani wa uso.

Utafiti pia ulionyesha kwamba matone mawili ya 5 µL yanaweza kusogezwa kuelekeana kwa mwanga wa UV na kuunganishwa. Tone la 10 µL lililoundwa liliendelea 7 mm kwa sekunde 25 chini ya UV na kuonyesha kasi ya takriban 0.28 mm/s. Hata hivyo, utafiti huu ni wa kiwango cha maabara. Matumizi kama usafirishaji wa dawa au seli, uvunaji wa ukungu, kujisafisha au kuzuia kuganda hayakujaribiwa moja kwa moja; hayo ni maeneo ambayo watafiti walitaja kama uwezekano wa matumizi ya baadaye.

Tatizo kuu la utafiti

Kusogeza kwa udhibiti matone ya kioevu yenye ujazo wa mikro na ujazo mdogo ni tatizo muhimu kwa mifumo ya mikrofluidiki, uchanganuzi wa kemikali, usanisi wa nyenzo na matumizi ya usafirishaji yanayotegemea matone. Kwa sababu matone huunda ujazo mdogo ulio huru, yanaweza kutumika kama mazingira ya mmenyuko au kama vibebaji. Hata hivyo, si rahisi kusogeza tone juu ya uso wazi kwa wakati unaotakiwa, katika mwelekeo unaotakiwa na kwa hatari ndogo iwezekanavyo ya uchafuzi.

Mbinu za usafirishaji wa matone kwa ujumla zinaweza kugawanywa katika mikabala tulivu na hai. Nyuso tulivu hutumia asymmetria zilizoundwa mapema, kama tofauti za jiometri au uwezo wa kuloweshwa. Mifumo hai hujaribu kudhibiti mwendo wa tone kwa vichocheo vya nje kama umeme, uga wa sumaku au mwanga. Faida muhimu ya mbinu zinazotegemea mwanga ni kwamba zinaweza kutumika kwa mbali na bila mgusano wa moja kwa moja wa kimitambo.

Hata hivyo, katika mikabala ya awali ya fototermali, chembe za ziada za fototermali zinaweza kuongezwa ndani ya tone au kwenye nyenzo ya uso ili kubadilisha mwanga kuwa joto. Mkakati wa utafiti huu ni kutumia mwitikio wa joto unaochochewa na mwanga wa LCE yenyewe badala ya kuongeza nanochembe za ziada za fototermali.

Elastoma ya kioo-kioevu ni nini?

LCE ni kundi la nyenzo linalounganisha muundo uliopangwa wa molekuli za fuwele za kioevu na sifa za kunyumbulika za mtandao wa polima uliounganishwa mtambuka. Mtandao huu uliopangwa lakini wenye kunyumbulika unaweza kubadilisha sifa zake za kimwili kwa kujibu vichocheo vya nje kama mwanga, umeme, uga wa sumaku au kiyeyushi. Katika utafiti huu, jukumu kuu la LCE si kubadilisha umbo kimitambo bali kuzalisha joto la fototermali: eneo linalopokea mwanga wa UV hupata joto haraka zaidi kuliko maeneo mengine na huchangia kutengeneza gradienti ya joto katika tone.

Kwa nini PDMS na mafuta ya silikoni yalitumika?

Polydimethylsiloxane (PDMS) ni polima ya elastoma yenye msingi wa silikoni. Katika utafiti huu, PDMS ilitumika kama uso wa juu ambao tone hugusana nao moja kwa moja. Sababu si muundo wake wa kemikali pekee, bali pia uwezo wake wa kutengeneza uso unaoteleza wenye pembe ndogo sana ya kuteleza unapoloweshwa kwa mafuta ya silikoni.

Juu ya LCE safi, tone lilingʼangʼania sana uso na halikuteleza hata uso ulipoinamishwa hadi 90°. Katika PDMS safi, pembe ya kuteleza ilipungua hadi 51.1°. PDMS ilipolainishwa kwa mafuta ya silikoni, pembe ya kuteleza ilipungua hadi takriban 3°. Kwa hiyo, ili utaratibu wa kusukuma wa fototermali unaotolewa na LCE uweze kusafirisha tone kwa kweli, upinzani wa msuguano/ushikaji wa uso pia lazima uwe mdogo vya kutosha.

Katika mfumo huu, mwanga wa UV unasogeza vipi tone la maji?

Mwanga wa UV hupasha kwa eneo dogo tabaka la LCE lililo upande mmoja tu wa tone; gradienti ya joto inayotokea hubadilisha mvutano wa kiolesura na kufanya pembe za mgusano za pande mbili za tone zisilingane. Asymmetria hii hutengeneza nguvu ya Young inayotokana na gradienti ya uloweshaji, huku tofauti ya mvutano wa uso inayotegemea joto katika tone ikizalisha nguvu ya Marangoni. Kulingana na modeli ya nguvu ya utafiti, jumla ya athari hizi mbili za kusukuma inapozidi nguvu ya upinzani wa uso, tone husogea kutoka eneo la moto lililoangaziwa kuelekea eneo baridi zaidi lisiloangaziwa.

Pembe ya mgusano ina maana gani?

Pembe ya mgusano ni pembe inayoundwa na jiometri ya tone la kioevu dhidi ya uso katika eneo ambalo tone hukutana na uso, na hutoa taarifa kuhusu mwingiliano wa kiolesura kati ya uso na kioevu. Katika utafiti huu, wakati UV haitumiki pande mbili za tone huwa takriban za ulinganifu na katika uwasilishaji wa waandishi hali ni θ_A = θ_B. Eneo A upande wa kushoto linapopashwa, θ_A huongezeka na hali ya θ_A > θ_B hujitokeza. Hivyo, usawaziko wa awali wa kimitambo huvurugika.

Athari ya Marangoni ni nini?

Athari ya Marangoni ni kutokea kwa mtiririko kutokana na mvutano wa uso kubadilika kulingana na nafasi katika kiolesura cha kioevu. Kwa kuwa joto linaweza kubadilisha mvutano wa uso, upande mmoja wa tone unapokuwa na joto zaidi kuliko mwingine, mtiririko wa mwelekeo unaweza kutokea ndani ya tone na kwenye kiolesura chake. Katika utafiti huu, kifuatiliaji cha rangi kilitumika na mtiririko dhahiri ulionekana ndani ya tone wakati wa uangazaji wa UV; waandishi waliutathmini kama uchunguzi wa majaribio unaounga mkono uwepo wa mtiririko wa Marangoni.

Kwa nini LCE pekee au uso laini wa PDMS pekee hautoshi?

Majaribio ya udhibiti yalionyesha kwamba mwendo wa mwelekeo wa tone unategemea uwepo wa pamoja wa kazi mbili: tabaka la LCE hutengeneza gradienti ya joto ya fototermali ya kutosha, wakati tabaka la PDMS lililolainishwa kwa mafuta ya silikoni hupunguza upinzani wa uso dhidi ya tone. Nyuso za PDMS na PDMS-mafuta ya silikoni zilipata ongezeko dogo la joto chini ya UV lakini hazikuonyesha mwendo wa tone; katika mipangilio ya PDMS/LCE na LCE-mafuta ya silikoni ongezeko la joto lilionekana wazi, lakini matone yalibaki bila kusogea kwa sababu upinzani wa uso haukuwa mdogo vya kutosha.

Matokeo yanayoungwa mkono na yasiyoungwa mkono na utafiti

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Nyenzo kuu zilizotumika

• RM257: 1,4-Bis-[4-(3-acryloyloxypropyloxy)benzoyloxy]-2-methylbenzene; ni mojawapo ya vipengele vya kioo-kioevu katika mtandao wa LCE.
• EDDET: 3,6-dioxo-1,8-octanedisulfide; ni kiungo chenye thiol.
• PETMP: pentaerythritol tetra-3-mercaptopropionate; ni kiunganishi mtambuka cha thiol chenye kazi nne.
• DPA: n-propylamine; ilitumika kama kichocheo katika mmenyuko wa kuongezwa wa Michael.
• IRG819: ni kianzilishi cha mwanga.
• PDMS: iliandaliwa kwa kutumia kitangulizi cha Sylgard 184 na kiungo cha kuponya.
• Mafuta ya silikoni: mafuta ya silikoni ya Dow Corning yenye mnato wa 5 cSt yalitumika.

Vifaa vya upimaji

Mfululizo wa kwanza wa LCE wenye kiwango cha PETMP kilichobadilishwa

Watafiti waliandaa fomula tatu za LCE kwa kubadilisha sehemu ya moli ya PETMP ndani ya jumla ya vikundi vya thiol: PETMP-0, PETMP-20 na PETMP-40. Majina haya yanaonyesha, kwa mtiririko huo, sehemu za moli za %0, %20 na %40 za vikundi vya thiol vinavyotokana na PETMP ndani ya jumla ya thiol. Kiasi cha EDDET na PETMP kilibadilishwa huku jumla ya moli za thiol ikiwekwa bila kubadilika.

RM257, EDDET, PETMP na 10 µL DPA ziliyeyushwa katika 4 mL ya dichloromethane na kufanyiwa usindikaji wa ultrasonic kwa dakika 10 katika joto la kawaida. Mchanganyiko ulihamishiwa kwenye ukungu wa PTFE wenye vipimo vya mfereji wa 4.0 cm × 4.0 cm × 1.3 cm na kuachwa kwa saa 24 katika joto la kawaida ili mmenyuko wa kuongezwa wa Michael ukamilike. Katika muda huu, kiyeyushi kilivukiza polepole na filamu tambarare katika hali ya geli ikatokea. Kisha filamu ilikaushwa kwa saa 24 katika tanuri la vakuumu katika 30 °C ili kuondoa kiyeyushi kilichobaki.

Mmenyuko wa kuongezwa wa Michael ulifuatiliwaje kwa FTIR?

Mtetemo wa kunyoosha wa kifungo cha S–H katika EDDET na PETMP hutoa bendi ya FTIR karibu na eneo la 2560 cm⁻¹. Kutoweka kwa bendi hii ya S–H wakati wa uundaji wa LCE kulitumiwa kama ushahidi wa kispektroskopia unaounga mkono kwamba kikundi cha thiol kiliingia katika mmenyuko wa kuongezwa wa Michael na kikundi cha acrylate. Kipimo hiki pekee hakionyeshi hatua zote za kati za utaratibu wa mmenyuko; lakini kilitumika kufuatilia matumizi ya kikundi huru cha S–H kilichokuwepo mwanzoni.

Uainishaji wa joto

T_g ni joto la mpito wa kioo. Linaeleza eneo la joto ambapo minyororo ya polima hutoka katika hali ya mwendo wenye vizuizi zaidi katika joto la chini na kuingia katika tabia ya sehemu za mnyororo yenye uhamaji mkubwa zaidi. Kuongezeka kwa T_g kutoka −12.07 °C hadi −1.35 °C kadiri kiasi cha PETMP kilivyoongezeka kulihusishwa na chanzo na kuongezeka kwa msongamano wa viunganishi mtambuka, ambao hupunguza mwendo wa minyororo ya polima.

T_NI inaonyesha joto la mpito kutoka awamu ya nematiki iliyopangwa kwenda awamu ya isotropiki. Kwa PETMP-40 iliripotiwa 72.86 °C na kwa PETMP-20 62.23 °C. Watafiti walihusisha mabadiliko haya na athari ya idadi ya sehemu za kuunganishwa mtambuka kwenye nishati inayohitajika kwa minyororo kupoteza mpangilio.

Katika uchanganuzi wa thermogravimetric, sampuli za PETMP-0, PETMP-20 na PETMP-40 ziliripotiwa kubaki kwa kiasi kikubwa thabiti chini ya takriban 300 °C. Matokeo haya yanahusu uainishaji wa joto wa mfumo wa majaribio; hayathibitishi uimara wa muda mrefu wa nyenzo katika hali zote za matumizi.

PETMP-40-IRG819 iliandaliwaje?

Ili kuboresha sifa za fototermali na kuendeleza upolimishaji wa vikundi huru vya acrylate vilivyobaki, kianzilishi cha mwanga IRG819 kiliongezwa kwenye fomula ya PETMP-40. Mchanganyiko uliotumika:

• RM257: 0.7032 g, 1.19 mmol
• EDDET: 0.1268 g, 0.70 mmol
• PETMP: 0.1134 g, 0.23 mmol
• IRG819: %1 kwa uzito
• DPA: 10 µL
• DCM: 4 mL

Mchanganyiko ulitawanywa kwa ultrasonic kwa dakika 10 katika joto la kawaida, ukahamishiwa kwenye ukungu wa PTFE wenye vipimo vya 4 cm × 4.0 cm × 1.3 cm na kuachwa kwa saa 24 katika joto la kawaida kwa kuunganishwa mtambuka kwa awali. Kisha filamu ilifanyiwa fotopolimerishaji kwa dakika 15 chini ya UV. Ili kuondoa IRG819 iliyobaki, ilioshwa kwa ethanoli isiyo na maji na kukaushwa chini ya vakuumu katika joto la kawaida hadi kufikia uzito thabiti. Unene wa filamu ya mwisho ya LCE uliripotiwa kuwa takriban 2 mm.

Thamani ya T_g ya sampuli ya PETMP-40-IRG819 iliongezeka hadi 7.45 °C. Chanzo kinahusisha mabadiliko haya na msongamano mkubwa zaidi wa viunganishi mtambuka kupunguza mwendo wa minyororo. Kilele kinachohusiana na mpito wa T_NI kilipanuka na kudhoofika hadi kupoteza udhahiri wake.

Mwitikio wa fototermali

Sampuli za PETMP-0, PETMP-20 na PETMP-40 zililinganishwa chini ya mwanga wa UV wa 365 nm. Katika hali sawa za uangazaji, PETMP-40 ilionyesha ongezeko dhahiri zaidi la joto la fototermali kati ya fomula tatu za kwanza. Baada ya PETMP-40-IRG819 kuandaliwa, ilibainika kwamba sampuli hii pia ilionyesha ongezeko la haraka la joto na PETMP-40-IRG819 ikatumika kama tabaka la LCE katika majaribio yaliyobaki ya utafiti.

Kwenye Kielelezo 2D cha chanzo, inaonyeshwa kwamba ongezeko la joto huongezeka kadiri nguvu ya UV inavyoongezeka. Mikunjo inalinganisha nguvu za mwanga za 50, 150 na 250 mW/cm². Maandishi ya chanzo yanafasiri uhusiano huu kama uhusiano chanya kati ya nguvu ya mwanga na uzalishaji wa joto. Hakuna thamani mpya za kati za joto zilizotolewa hapa kutoka kwenye mikunjo ya grafu.

Uandaaji wa tabaka la PDMS-mafuta ya silikoni

Kitangulizi cha PDMS na kiungo cha kuponya vilichanganywa vizuri kwa uwiano wa massa wa 10:1. Mchanganyiko ulimwagwa kwenye ukungu wa PTFE wa mraba na, baada ya kuondoa viputo vya gesi, uliponywa kwa saa 1 juu ya hita ya 70 °C. Filamu ya PDMS iliyotokea iliondolewa kwenye ukungu.

Kisha filamu ya PDMS iliwekwa ikiwa imezamishwa kabisa katika mafuta ya silikoni kwa saa 24. Baada ya filamu kutolewa, iliwekwa wima ili mafuta ya ziada yaondoke. Hivyo, filamu ya PDMS-mafuta ya silikoni yenye tabaka la kilainishi juu ya uso na unene wa takriban 1.5 mm ilipatikana.

Filamu hii iliwekwa juu ya tabaka la LCE ili kuunda uso wa mchanganyiko wa PDMS-mafuta ya silikoni/LCE. Tone halisogei moja kwa moja juu ya LCE, bali juu ya uso wa juu wa PDMS uliolainishwa na wenye msuguano mdogo; LCE hufanya kazi kutoka chini kama chanzo cha joto la fototermali.

Pembe ya kuteleza iliamuaje uchaguzi wa uso?

Pembe ya kuteleza ni pembe ya mwinuko ambayo tone huanza kusogea uso unapoinamishwa. Pembe ndogo ya kuteleza kwa kawaida huonyesha upinzani mdogo wa uso dhidi ya mwendo wa tone. Thamani zilizoripotiwa katika Kielelezo 3 cha chanzo ni hizi:

Ulinganisho huu unaonyesha wazi kwamba sifa ya fototermali ya LCE pekee haitoshi. Chanzo cha nishati/nguvu na upinzani mdogo wa uso vilihitajika kuunganishwa kama kazi tofauti ndani ya mfumo mmoja wa mchanganyiko.

Masharti ya jaribio la mwendo wa tone

• Tone: 5 µL ya maji yaliyopunguzwa ioni.
• Uso: mchanganyiko wa PDMS-mafuta ya silikoni/LCE.
• Urefu wa wimbi wa mwanga: 365 nm UV.
• Nguvu ya mwanga: 250 mW/cm².
• Mahali pa uangazaji: upande wa kushoto wa tone.
• Mwelekeo wa mwendo: kuelekea eneo lisiloangaziwa.
• Umbali ulioonekana: 16 mm.
• Muda ulioonekana: takriban 34 s.
• Kasi ya wastani iliyoripotiwa katika chanzo: 0.47 mm/s.

Katika majaribio husika kwa madhumuni ya ufuatiliaji wa kuona, rangi nyeusi iliongezwa kwenye tone. Uangazaji wa ndani ulipoanza, joto upande wa kushoto liliongezeka na tone likatoka hali ya kutosogea kwenda hali ya kusogea. Chanzo cha UV kilipozimwa, mwendo ulisimama baada ya muda mfupi.

Majaribio ya udhibiti

Ujenzi upya wa mekanizimu ya chanzo kwa Verianla

Mlinganyo 1 — Mlinganyo wa Young

Fomula inaeleza nini? Mlinganyo wa Young huunganisha usawaziko kati ya pembe ya mgusano ya tone na mvutano wa violesura mbalimbali. Katika utafiti huu, mlinganyo huu ulitumika kueleza kwa nini pembe ya mgusano ya tone inaweza kubadilika wakati mabadiliko ya joto ya ndani yanapobadilisha mojawapo ya mvutano wa kiolesura.

• γ_la: mvutano wa kiolesura cha kioevu–hewa.
• γ_oa: mvutano wa kiolesura cha mafuta–hewa.
• γ_ol: mvutano wa kiolesura cha mafuta–kioevu.
• θ: pembe ya mgusano.

Kitengo cha SI cha mvutano wa kiolesura ni N/m; pembe ya mgusano ni kiasi cha pembe. Katika mlinganyo, cosθ haina vipimo, kwa hiyo neno γ_lacosθ pia lina kipimo cha N/m na pande mbili za mlinganyo zinaendana kimipimo.

Mwanga wa UV unapopasha LCE upande A, kulingana na maelezo ya mekanizimu katika utafiti chanzo, γ_oa(A) hupungua katika eneo hili na pembe ya mgusano θ_A huongezeka sambamba. Upande B usioangaziwa hudumisha joto la chini zaidi. Matokeo yake, usawaziko wa awali θ_A = θ_B huvurugika na mfumo huingia katika hali ya θ_A > θ_B.

Mlinganyo 2 — Nguvu ya Young inayotokana na gradienti ya uloweshaji

Fomula inahesabu nini? Katika chanzo, F_Y ni usemi wa makadirio wa nguvu ya kusukuma inayotokana na gradienti ya uloweshaji wakati pembe za mgusano katika pande mbili za tone zinapotofautiana.

• F_Y: nguvu ya Young/gradienti ya uloweshaji; kitengo cha nguvu N.
• R: radiusi bainifu ya tone; kitengo cha urefu m.
• θ_A: pembe ya mgusano katika upande A ulioangaziwa na wenye joto zaidi.
• θ_B: pembe ya mgusano katika upande B usioangaziwa.
• γ_la: mvutano wa kiolesura cha kioevu–hewa; N/m.

Kwa vipimo, R × γ_la = m × N/m = N, kwa hiyo usemi huu hutoa nguvu. Ikiwa θ_A na θ_B hazitofautiani, tofauti ya kosini hukaribia sifuri na athari ya kusukuma ya sehemu hii ya nguvu hupotea. Kwa hiyo mekanizimu kuu katika utafiti haitegemei tu thamani ya pembe ya mgusano, bali asymmetria kati ya pande mbili za tone.

Mlinganyo 3 — Nguvu ya Marangoni

Fomula inahesabu nini? F_M inaeleza nguvu ya takriban ya Marangoni inayosababishwa kwenye tone na gradienti ya mvutano wa uso wa kioevu–hewa inayotokea kwa sababu joto hubadilika kulingana na nafasi.

• F_M: nguvu ya Marangoni; N.
• R: radiusi bainifu ya tone; m.
• dγ_la/dT: unyeti wa mvutano wa uso wa kioevu–hewa kwa joto; takriban N/(m·K).
• dT/dx: gradienti ya joto juu ya uso; K/m.

Uchanganuzi wa vipimo hutoa R² × [N/(m·K)] × [K/m] = N. Hivyo usemi una kipimo cha nguvu.

Katika mlinganyo huu, zao la derivativi mbili ni muhimu. Ikiwa mvutano wa uso hauathiriwi na joto, dγ_la/dT hupungua; ikiwa hakuna tofauti ya joto juu ya uso, dT/dx hupungua. Katika hali zote mbili, msukumo wa Marangoni unaotegemea joto hupungua. Maelezo haya yanatokana na muundo wa kihisabati wa mlinganyo; chanzo pia kiliripoti mtiririko wa Marangoni unaohusishwa na gradienti ya joto iliyotengenezwa kwa UV, uliotazamwa kwa kifuatiliaji cha rangi.

Usawaziko wa nguvu kwa ajili ya mwendo

Katika uchanganuzi wa mekanizimu wa utafiti chanzo, sharti lifuatalo lilitumika ili tone lianze kusogea:

Hapa F_H ni nguvu ya upinzani wa uso dhidi ya mwendo wa tone. Uhusiano huu unaeleza kwa nini utafiti ulihitaji LCE pamoja na tabaka la PDMS-mafuta ya silikoni lenye utelezi mkubwa. LCE hutoa asymmetria ya joto/uloweshaji inayozalisha F_Y na F_M; PDMS iliyolainishwa hupunguza F_H. Ikiwa nguvu za kusukuma haziwezi kuzidi upinzani wa uso, tone linaweza kutosogea hata joto likiongezeka.

Athari ya joto kwenye pembe ya mgusano wa maji

Joto lilipoongezeka kutoka 25 °C hadi 55 °C, pembe tuli ya mgusano iliongezeka kutoka 98.2° hadi 106.2°, jambo linalounga mkono kwamba joto linaweza kubadilisha jiometri ya tone juu ya uso wa PDMS uliolainishwa. Watafiti walitumia uchunguzi huu kama moja ya misingi ya majaribio kwamba ongezeko la joto la ndani linalotokana na LCE linaweza kuunda asymmetria ya pembe ya mgusano katika pande mbili za tone.

Jaribio la kuunganisha matone

Mbali na mwendo wa tone moja, utafiti ulitumia matone mawili ya 5 µL katika mfumo huohuo. Bila mwanga, matone yote mawili yalibaki bila kusogea. UV ilipotumika kwa tone la kwanza katika mwelekeo unaofaa, tone lilisukumwa kuelekea la pili na matone hayo mawili yakaungana.

Tone la takriban 10 µL lililoundwa baada ya kuungana liliendelea kusogea kwa muda ambao mwanga wa UV uliendelea na kusafiri 7 mm kwa sekunde 25. Chanzo kinaripoti kasi ya wastani ya mwendo kuwa takriban 0.28 mm/s. Mwanga wa UV ulipokatizwa, tone lililoungana pia lilisimama.

Tofauti ya kasi kati ya majaribio haya mawili, katika tafsiri ya chanzo, inaonyesha kwamba ujazo wa tone unaweza kuathiri kasi ya usafirishaji. Hata hivyo, chanzo hakiungi mkono kutengeneza uhusiano wa jumla wa kasi–ujazo au sheria ya kihisabati ya kuongeza ukubwa kutokana na ujazo hizi mbili pekee.

Tunajua nini kuhusu kutokuwa na uhakika na takwimu?

Chanzo kinaeleza katika Kielelezo 2 kwamba mikunjo ya joto la fototermali inaonyesha wastani wa vipimo vitatu huru na maeneo yaliyotiwa kivuli yanayozunguka mikunjo yanawakilisha mkengeuko sanifu (SD). Hata hivyo, chanzo hakitoi thamani ghafi za nambari za joto katika kila hatua ya muda kwa maandishi au jedwali. Kwa hiyo, hakuna thamani mpya sahihi za joto zilizotolewa kutoka kwenye grafu katika maandishi ya Verianla.

Thamani za ± ziliripotiwa katika michoro ya pembe ya kuteleza na pembe ya mgusano. Chanzo pia hakiripoti jaribio pana la nadharia tete, p-value au uchanganuzi wa ukubwa wa athari. Utafiti huu unategemea hasa uandaaji wa nyenzo, uainishaji wa uso, majaribio ya udhibiti na uonyeshaji wa mekanizimu ya kimwili.

Nguvu kuu za utafiti

• Mwendo wa mwelekeo umeonyeshwa bila kuongeza nanochembe za fototermali ndani ya tone.
• Majaribio ya udhibiti ya nyuso tofauti yalitumika ili kutohusisha mwendo wa tone na uwepo wa UV pekee.
• Tabia ya fototermali ya LCE ilitathminiwa kwa upigaji picha wa joto.
• Upinzani mdogo wa uso ulilinganishwa kwa kiasi kwa vipimo vya pembe ya kuteleza.
• Uhusiano wa joto–pembe ya mgusano ulichunguzwa katika majaribio tofauti.
• Uchunguzi kwa kifuatiliaji cha rangi ulitumika kuunga mkono mtiririko wa Marangoni.
• Mbali na kusafirisha tone moja, kuunganisha matone mawili pia kulionyeshwa.

Vikwazo vikuu vya utafiti

• Majaribio yalifanywa kwenye nyuso za mchanganyiko zilizoandaliwa katika kiwango cha maabara.
• Katika jaribio kuu la mwendo, tone la 5 µL la maji yaliyopunguzwa ioni na hali maalumu za UV zilitumika; utendaji wa jumla kwa vimiminika tofauti haukuonyeshwa.
• Hali kuu ya mwendo wa UV ni 365 nm na 250 mW/cm²; haijaonyeshwa kwamba vyanzo vingine vya mwanga vitatoa utendaji uleule wa usafirishaji.
• Chanzo hakikuunda uhusiano wa kasi–ujazo kwa ujazo wote unaowezekana wa matone.
• Uimara wa muda mrefu wa mizunguko au utendaji katika mizunguko mingi ya usafirishaji unaorudiwa haukuripotiwa kwa kina.
• Kifaa halisi cha mikrofluidiki, sampuli ya kibayolojia, dawa au utendaji wa usafirishaji wa seli haukujaribiwa.
• Uvunaji wa ukungu, kujisafisha na kuzuia kuganda havikuthibitishwa kama matumizi ya majaribio katika utafiti huu.
• Deformation ya LCE inayoweza kupangwa na udhibiti wa matone mengi kwa mwanga wenye muundo, uliopendekezwa kwa siku zijazo, si matokeo yaliyotekelezwa katika utafiti wa sasa.

Hitimisho sahihi la kisayansi la utafiti

Hitimisho kuu la utafiti huu ni kwamba gradienti ya joto ya fototermali inayotengenezwa na LCE iliyounganishwa mtambuka chini ya uangazaji wa UV wa ndani inaweza kuwezesha usafirishaji wa mwelekeo wa matone ya maji inapounganishwa na uso wa PDMS wenye msuguano mdogo uliolainishwa kwa mafuta ya silikoni. Majaribio ya chanzo yanaunga mkono kwamba upashaji wa fototermali pekee au msuguano mdogo pekee hautoshi; athari zote mbili zinahitaji kufanya kazi kwa pamoja.

Katika mekanizimu hii, usawaziko wa pembe ya mgusano huvurugika katika eneo linalopashwa kwa mwanga, na nguvu ya Young inayohusishwa na gradienti ya uloweshaji pamoja na nguvu ya Marangoni inayohusishwa na gradienti ya mvutano wa uso inayotokana na joto huchangia kwa pamoja katika mwelekeo wa mwendo. Mwendo wa tone unahusishwa na nguvu hizi kuzidi upinzani wa uso.

Utafiti unaonyesha mkabala wa majaribio kwa nyuso mahiri zinazodhibitiwa kwa mwanga bila mgusano. Hata hivyo, uvunaji wa ukungu, kujisafisha, kuzuia kuganda au uendeshaji changamano zaidi wa matone mengi uliopendekezwa kwa siku zijazo si matumizi yaliyothibitishwa katika makala hii, bali ni mwelekeo unaowezekana kwa tafiti zinazofuata.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Kichwa asili: Photo-Triggered Directional Movement of a Water Droplet on Surfaces by Liquid Crystal Elastomers

Waandishi: Shuhua Li; Yan Lin; Yanping Deng; Jiawen Chen.

Waandishi wanaowajibika: Yanping Deng na Jiawen Chen.

Mchango sawa: Makala chanzo haijaeleza tamko la mchango sawa/waandishi wenza wa kwanza.

Taasisi: School of Chemistry, South China Normal University, Guangzhou 510006, China; School of Materials and New Energy, South China Normal University, Shanwei 516600, China.

Jarida: Chemistry.

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.

Rekodi ya bibliografia: Chemistry 2026, 8(9), 116.

DOI: 10.3390/chemistry8090116

Kiungo rasmi: https://doi.org/10.3390/chemistry8090116

Ratiba ya makala: Received: 20 Julai 2026; Revised: 13 Agosti 2026; Accepted: 23 Agosti 2026; Published: 26 Agosti 2026.

Aina ya chanzo na hali ya mapitio ya rika: Ni makala ya utafiti iliyochapishwa katika jarida Chemistry. Chemistry ni jarida la kimataifa la kemia lenye mapitio ya rika na ufikiaji wazi, linalochapishwa na MDPI.

Leseni: Leseni ya ufikiaji wazi ya Creative Commons Attribution (CC BY).

Hali ya preprint: Hakuna toleo la preprint au kitambulisho cha preprint kilichoelezwa katika PDF ya chanzo iliyokaguliwa.

Aina ya utafiti: Sayansi ya majaribio ya polima/nyenzo, sayansi ya uso na violesura, uainishaji wa fototermali na udhibiti wa matone katika kiwango cha maabara.

Ufadhili: National Key R&D Program of China, nambari ya mradi 2020YFE0100200; Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation, nambari ya mradi 2025A1515011287.

Upatikanaji wa data: Imeelezwa kwamba data zinazounga mkono matokeo ya utafiti zinaweza kupatikana kutoka kwa mwandishi anayewajibika kwa ombi lenye sababu.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kwamba hakuna mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: Shuhua Li: usanifu wa majaribio, utekelezaji wa majaribio, ukusanyaji wa data na uandishi wa rasimu ya kwanza. Yan Lin: utekelezaji wa sehemu ya majaribio na ukusanyaji wa data. Yanping Deng: mapitio na uhariri. Jiawen Chen: uandishi, mapitio na ukamilishaji wa makala. Waandishi wote walisoma na kuidhinisha toleo lililochapishwa.

Nyenzo za ziada: Nyenzo za ziada za utafiti chanzo zina spektra za FTIR, mwendo wa matone kwenye nyuso tofauti, picha za unene wa LCE na PDMS, video za IR za fototermali za sampuli mbalimbali za LCE, nguvu tofauti za mwanga, pembe za kuteleza, nyuso za udhibiti, mwendo wa tone moja, mtiririko wa Marangoni na video za kuungana kwa matone mawili ya 5 µL, pamoja na jedwali la muundo wa PETMP-0/PETMP-20/PETMP-40.

Kizuizi kikuu cha kimetodolojia: Utafiti huu ni jaribio la tone linalodhibitiwa lililofanywa kwa UV ya 365 nm juu ya uso wa mchanganyiko katika kiwango cha maabara. Matokeo hayawezi kujumlishwa moja kwa moja kwa vimiminika vingine, vyanzo vingine vya mwanga, matumizi ya viwandani au mifumo ya usafirishaji wa kibayolojia/kliniki. Maeneo ya matumizi ya baadaye ni matarajio ya waandishi wa chanzo na si matokeo yaliyothibitishwa katika jaribio la sasa.