Эластомери кристалли моеъ (liquid crystal elastomer, LCE) маводи полимерии ҳассос ба ангезанда аст, ки тартиби молекулавии кристаллҳои моеъро бо чандирии механикии шабакаи эластомерии пайвандшуда муттаҳид мекунад. Дар ин таҳқиқот Shuhua Li, Yan Lin, Yanping Deng ва Jiawen Chen гармшавии фототермалии LCE-ро дар зери нури ултрабунафш бо сатҳи полидиметилсилоксан (PDMS)-и камсоиш, ки бо равғани силикон равғанкорӣ шудааст, якҷо карда, сатҳи композитӣ омода кардаанд, ки метавонад қатраҳои обро бе тамоси мустақим ба самти муайян ҳаракат диҳад. Дар озмоишҳо як тарафи қатраи 5 µL оби деионизатсияшуда бо нури UV-и дарозии мавҷаш 365 nm ва шиддаташ 250 mW/cm² ба таври маҳаллӣ нурборон карда шудааст. Дар сатҳи композитӣ қатра тақрибан дар 34 сония 16 mm пеш рафта, суръати миёнаи 0.47 mm/s нишон додааст. Ҳангоми хомӯш кардани нури UV ҳаракат қатъ шудааст.

Система ба кори муштараки ду қабати функсионалӣ такя мекунад. Қабати поёнии LCE-и пайвандшуда ҷузъи фототермалӣ мебошад, ки нури UV-ро ба баландшавии маҳаллии ҳарорат табдил медиҳад. Қабати болоии PDMS, ки бо равғани силикон равғанкорӣ шудааст, муқовимати механикии қатраро ҳангоми ҳаракат рӯйи сатҳ то сатҳи хеле паст коҳиш медиҳад. Танҳо гармшавии LCE кофӣ набуд; танҳо сатҳи камсоиши PDMS-равғани силикон низ дар зери UV қатраро ҳаракат надод. Интиқоли самтнок вақте ба даст омад, ки градиенти ҳароратии аз LCE ҳосилшуда ва соиши пасти сатҳи PDMS-и равғанкоришуда ҳамзамон мавҷуд буданд.

Нурборонии маҳаллии UV LCE-ро дар тарафи нурдидаи қатра гарм кард; ин фарқи ҳарорат кашишҳои сатҳӣ ва байнифазиро тағйир дода, кунҷҳои тамосро дар ду тарафи қатра нобаробар гардонд. Дар таҳқиқоти манбаъ ин механизм бо муодилаи Young, қувваи Young, ки аз градиенти таршавӣ ба вуҷуд меояд, ва қувваи Marangoni, ки аз градиенти кашиши сатҳӣ вобаста ба ҳарорат ҳосил мешавад, шарҳ дода шудааст. Ҳаракати самтноки қатра бо аз муқовимати сатҳ зиёд шудани ҷамъи қувваҳои Young ва Marangoni алоқаманд дониста шудааст.

Таҳқиқот инчунин нишон дод, ки ду қатраи 5 µL-ро метавон бо нури UV ба сӯи ҳам ҳаракат дода, якҷо кард. Қатраи 10 µL-и ҳосилшуда дар зери UV дар 25 сония 7 mm ҳаракат карда, суръати тақрибан 0.28 mm/s нишон дод. Бо вуҷуди ин, таҳқиқот дар миқёси лабораторӣ аст. Истифодаҳо ба монанди интиқоли дору ё ҳуҷайра, ҷамъоварии туман, худтозакунӣ ё пешгирии яхбандӣ бевосита санҷида нашудаанд; инҳо соҳаҳое мебошанд, ки муҳаққиқон ҳамчун имкониятҳои эҳтимолии истифодаи оянда арзёбӣ кардаанд.

Масъалаи асосии таҳқиқот

Ҳаракатдиҳии идорашавандаи қатраҳои моеъи ҳаҷмашон микро ва хурд барои системаҳои микрофлюидӣ, таҳлили кимиёвӣ, синтези мавод ва барномаҳои интиқоли асосёфта ба қатра масъалаи муҳим аст. Азбаски қатраҳо ҳаҷмҳои хурд ва мустақилро ташкил медиҳанд, онҳоро метавон ҳамчун муҳити реаксия ё интиқолдиҳанда истифода бурд. Аммо ҳаракат додани қатра рӯйи сатҳи кушода дар вақти лозим, ба самти лозим ва бо хатари то ҳадди имкон ками олудашавӣ кори осон нест.

Усулҳои интиқоли қатраҳоро дар маҷмӯъ ба равишҳои ғайрифаъол ва фаъол ҷудо кардан мумкин аст. Сатҳҳои ғайрифаъол аз асимметрияҳои пешакӣ эҷодшуда, ба монанди фарқияти геометрия ё таршавандагӣ, истифода мебаранд. Системаҳои фаъол кӯшиш мекунанд ҳаракати қатраро бо ангезандаҳои беруна, аз ҷумла барқ, майдони магнитӣ ё нур идора кунанд. Бартарии муҳими усулҳои ба нур асосёфта он аст, ки онҳоро аз фосила ва бе тамоси мустақими механикӣ истифода бурдан мумкин аст.

Бо ин вуҷуд, дар равишҳои пешинаи фототермалӣ барои ба гармӣ табдил додани нур ба дохили қатра ё ба маводи сатҳ зарраҳои иловагии фототермалӣ илова карда мешуданд. Равиши ин таҳқиқот истифодаи ҷавоби гармии аз нур барангехташудаи худи LCE ба ҷои илова кардани нанозарраҳои иловагии фототермалӣ мебошад.

Эластомери кристалли моеъ чист?

LCE синфи маводест, ки сохтори муназзами молекулаҳои кристалли моеъро бо хосиятҳои чандири шабакаи полимерии пайвандшуда муттаҳид мекунад. Ин шабакаи муназзам, вале чандир метавонад дар ҷавоб ба ангезандаҳои беруна, ба монанди нур, барқ, майдони магнитӣ ё ҳалкунанда, хосиятҳои физикии худро тағйир диҳад. Дар ин таҳқиқот вазифаи марказии LCE на он қадар тағйири шакли механикӣ, балки тавлиди гармии фототермалӣ мебошад: минтақае, ки ба он нури UV мерасад, нисбат ба минтақаҳои дигар зудтар гарм мешавад ва ба ташаккули градиенти ҳарорат дар тӯли қатра мусоидат мекунад.

Чаро PDMS ва равғани силикон истифода шуданд?

Полидиметилсилоксан (PDMS) полимери эластомерии асосёфта ба силикон аст. Дар таҳқиқот PDMS ҳамчун сатҳи болоӣ истифода шудааст, ки қатра бевосита бо он тамос мегирад. Сабаб танҳо сохтори кимиёвии он нест, балки он низ ҳаст, ки ҳангоми коркард бо равғани силикон метавонад сатҳи лағжандаи дорои кунҷи хеле пасти лағзишро ба вуҷуд орад.

Рӯйи LCE-и соф қатра ба сатҳ сахт часпид ва ҳатто ҳангоми то 90° хам кардани сатҳ лағжиш накард. Дар PDMS-и соф кунҷи лағзиш то 51.1° коҳиш ёфт. Ҳангоми равғанкорӣ кардани PDMS бо равғани силикон кунҷи лағзиш тақрибан то 3° паст шуд. Аз ин рӯ, барои он ки механизми ҳаракатдиҳандаи фототермалии таъминнамудаи LCE воқеан қатраро интиқол диҳад, муқовимати соишӣ/адгезияи сатҳ низ бояд ба қадри кофӣ хурд бошад.

Дар ин система нури UV қатраи обро чӣ гуна ба ҳаракат меорад?

Нури UV танҳо қабати LCE-ро дар як тарафи қатра ба таври маҳаллӣ гарм мекунад; градиенти ҳароратии ҳосилшуда кашишҳои байнифазӣ ва кунҷҳои тамосро дар ду тарафи қатра нобаробар мекунад. Ин асимметрия қувваи Young-ро, ки аз градиенти таршавӣ ба вуҷуд меояд, ҳосил мекунад, дар ҳоле ки фарқи вобаста ба ҳарорати кашиши сатҳӣ дар тӯли қатра қувваи Marangoni-ро ба вуҷуд меорад. Мувофиқи модели қувваҳои таҳқиқот, вақте ҷамъи ин ду таъсири ҳаракатдиҳанда аз қувваи муқовимати сатҳ зиёд мешавад, қатра аз минтақаи гарм ва нурдида ба минтақаи хунуктар ва бенур ҳаракат мекунад.

Кунҷи тамос чиро ифода мекунад?

Кунҷи тамос кунҷест, ки геометрияи қатраи моеъ дар минтақаи вохӯрӣ бо сатҳ нисбат ба худи сатҳ месозад ва дар бораи ҳамтаъсирии байнифазии сатҳ бо моеъ маълумот медиҳад. Дар ин таҳқиқот ҳангоми набудани UV ду тарафи қатра тақрибан симметрӣ мебошанд ва дар тасвири муаллифон дар ҳолати θ_A = θ_B қарор доранд. Ҳангоми гарм кардани минтақаи A дар тарафи чап θ_A калон мешавад ва нобаробарии θ_A > θ_B пайдо мегардад. Ҳамин тавр, тавозуни механикии ибтидоӣ вайрон мешавад.

Таъсири Marangoni чист?

Таъсири Marangoni падидаест, ки дар он тағйирёбии кашиши сатҳӣ вобаста ба мавқеъ дар тӯли сарҳади моеъ ҷараён ба вуҷуд меорад. Азбаски ҳарорат метавонад кашиши сатҳиро тағйир диҳад, вақте як тарафи қатра аз тарафи дигар гармтар аст, дар дохили қатра ва дар сарҳади байнифазӣ ҷараёни самтнок пайдо шуда метавонад. Дар таҳқиқот бо истифода аз нишонгузори рангӣ ҳангоми нурборонии UV дар дохили қатра ҷараёни намоён мушоҳида шуд ва муаллифон онро мушоҳидаи таҷрибавие арзёбӣ карданд, ки мавҷудияти ҷараёни Marangoni-ро дастгирӣ мекунад.

Чаро танҳо LCE ё танҳо сатҳи лағжандаи PDMS кофӣ нест?

Озмоишҳои назоратӣ нишон доданд, ки ҳаракати самтноки қатра ба ҳузури ҳамзамони ду функсия вобаста аст: қабати LCE градиенти кофии ҳарорати фототермалиро ҳосил мекунад, дар ҳоле ки қабати PDMS-и бо равғани силикон равғанкоришуда муқовимати сатҳиро нисбат ба ҳаракати қатра коҳиш медиҳад. Сатҳҳои PDMS ва PDMS-равғани силикон дар зери UV каме гарм шуданд, вале ҳаракати қатраро нишон надоданд; дар тарҳҳои PDMS/LCE ва LCE-равғани силикон баландшавии назарраси ҳарорат мушоҳида гардид, аммо азбаски муқовимати сатҳӣ ба қадри кофӣ паст набуд, қатраҳо беҳаракат монданд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад ва намекунад

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Маводҳои асосии истифодашуда

• RM257: 1,4-Bis-[4-(3-acryloyloxypropyloxy)benzoyloxy]-2-methylbenzene; яке аз ҷузъҳои кристалли моеъи шабакаи LCE мебошад.
• EDDET: 3,6-dioxo-1,8-octanedisulfide; ҷузъи дорои тиол аст.
• PETMP: pentaerythritol tetra-3-mercaptopropionate; пайвандгари чорфунксионалии тиол аст.
• DPA: n-propylamine; ҳамчун катализатор дар реаксияи пайвастшавии Michael истифода шудааст.
• IRG819: фотоинисиатор аст.
• PDMS: бо истифода аз прекурсори Sylgard 184 ва моддаи сахткунанда омода шудааст.
• Равғани силикон: равғани силиконии Dow Corning бо часпакии 5 cSt истифода шудааст.

Дастгоҳҳои ченкунӣ

Силсилаи аввали LCE бо тағйирёбии миқдори PETMP

Муҳаққиқон бо тағйир додани ҳиссаи молярии PETMP дар байни гурӯҳҳои умумии тиол се формулаи LCE омода карданд: PETMP-0, PETMP-20 ва PETMP-40. Ин номгузорӣ мутаносибан ҳиссаҳои молярии %0, %20 ва %40-и гурӯҳҳои тиоли аз PETMP ҳосилшуда дар тиоли умумиро ифода мекунад. Ҳангоми тағйир додани миқдори EDDET ва PETMP миқдори умумии молии тиол собит нигоҳ дошта шуд.

RM257, EDDET, PETMP ва 10 µL DPA дар 4 mL дихлорметан ҳал карда шуда, дар ҳарорати хона 10 дақиқа коркарди ултрасадоӣ гузаронида шуд. Омехта ба қолаби PTFE бо андозаи чуқурии 4.0 cm × 4.0 cm × 1.3 cm гузаронида шуда, барои анҷом ёфтани реаксияи пайвастшавии Michael дар ҳарорати хона 24 соат нигоҳ дошта шуд. Дар ин муддат ҳалкунанда оҳиста бухор шуд ва плёнка дар ҳолати гели ҳамвор пайдо гардид. Сипас барои хориҷ кардани ҳалкунандаи боқимонда плёнка дар 30 °C дар шкафи вакуумӣ 24 соат хушк карда шуд.

Реаксияи пайвастшавии Michael бо FTIR чӣ гуна пайгирӣ шудааст?

Ларзиши кашишии пайванди S–H дар EDDET ва PETMP тақрибан дар минтақаи 2560 cm⁻¹ банди FTIR медиҳад. Аз байн рафтани ин банди S–H ҳангоми ташаккули LCE ҳамчун далели спектроскопие истифода шудааст, ки вокуниши гурӯҳи тиол бо гурӯҳи акрилат дар реаксияи пайвастшавии Michael-ро дастгирӣ мекунад. Ин ченкунӣ ҳамаи марҳилаҳои мобайнии механизми реаксияро танҳо худ нишон намедиҳад; вале барои пайгирии истеъмоли функсияи озоди ибтидоии S–H истифода шудааст.

Тавсифи ҳароратӣ

T_g ҳарорати гузариши шишашавӣ аст. Он минтақаи ҳароратиро ифода мекунад, ки дар он занҷирҳои полимерӣ аз ҳолати ҳаракати маҳдудтар дар ҳарорати паст ба рафтори сегменталии ҳаракатноктар мегузаранд. Баланд шудани T_g аз −12.07 °C то −1.35 °C бо афзоиши миқдори PETMP аз ҷониби манбаъ бо он алоқаманд дониста шудааст, ки зиёд шудани зичии пайвандҳои салибӣ ҳаракати занҷирҳои полимериро маҳдуд мекунад.

T_NI ҳарорати гузариш аз фазаи тартибёфтаи нематикӣ ба фазаи изотропиро ифода мекунад. Барои PETMP-40 72.86 °C ва барои PETMP-20 62.23 °C гузориш шудааст. Муҳаққиқон ин тағйирро бо таъсири шумораи нуқтаҳои пайвандҳои салибӣ ба энергияи зарурӣ барои бетартибшавии занҷир алоқаманд кардаанд.

Дар таҳлили термогравиметрӣ гузориш шудааст, ки намунаҳои PETMP-0, PETMP-20 ва PETMP-40 тақрибан дар поёни 300 °C асосан устувор мемонанд. Ин натиҷа ба тавсифи ҳароратии системаи озмоишӣ дахл дорад; он устувории дарозмуддати маводро дар ҳамаи шароити истифода исбот намекунад.

PETMP-40-IRG819 чӣ гуна омода шудааст?

Барои беҳтар кардани хосиятҳои фототермалӣ ва пеш бурдани полимеризатсияи гурӯҳҳои озоди акрилати боқимонда ба формулаи PETMP-40 фотоинисиатори IRG819 илова карда шуд. Омехтаи истифодашуда:

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

Омехта дар ҳарорати хона 10 дақиқа бо ултрасадо дисперсия карда шуда, ба қолаби PTFE бо андозаи 4 cm × 4.0 cm × 1.3 cm гузаронида шуд ва барои пайвандшавии пешакӣ дар ҳарорати хона 24 соат гузошта шуд. Сипас плёнка 15 дақиқа дар зери UV фотополимеризатсия карда шуд. Барои хориҷ кардани IRG819-и боқимонда бо этаноли беоб шуста шуда, дар ҳарорати хона зери вакуум то расидан ба массаи доимӣ хушк карда шуд. Ғафсии плёнкаи ниҳоии LCE тақрибан 2 mm гузориш шудааст.

Қимати T_g-и намунаи PETMP-40-IRG819 то 7.45 °C баланд шуд. Манбаъ ин тағйирро бо он алоқаманд мекунад, ки зичии баландтари пайвандҳои салибӣ ҳаракати занҷирро маҳдуд мекунад. Қуллаи марбут ба гузариши T_NI бошад, васеъ ва суст шуда, намоёнии худро аз даст дод.

Ҷавоби фототермалӣ

Намунаҳои PETMP-0, PETMP-20 ва PETMP-40 дар зери нури UV-и 365 nm муқоиса шуданд. Дар шароити якхелаи нурборонӣ PETMP-40 дар байни се формулаи аввал баландшавии аз ҳама намоёни ҳарорати фототермалиро нишон дод. Пас аз омода кардани PETMP-40-IRG819 муайян шуд, ки ин намуна низ баландшавии босуръати ҳароратро нишон медиҳад ва дар озмоишҳои боқимондаи таҳқиқот PETMP-40-IRG819 ҳамчун қабати LCE истифода шуд.

Дар Расми 2D-и манбаъ нишон дода шудааст, ки бо зиёд шудани шиддати UV баландшавии ҳарорат меафзояд. Каҷҳо шиддатҳои нури 50, 150 ва 250 mW/cm²-ро муқоиса мекунанд. Матни манбаъ ин робитаро ҳамчун муносибати мусбат байни шиддати нур ва истеҳсоли гармӣ шарҳ медиҳад. Дар ин ҷо аз каҷҳои графикӣ қиматҳои нави ҳарорати мобайнӣ ҳосил карда нашудаанд.

Омода кардани қабати PDMS-равғани силикон

Прекурсори PDMS ва моддаи сахткунанда бо таносуби массаи 10:1 хуб омехта шуданд. Омехта ба қолаби чоркунҷаи PTFE рехта шуда, пас аз хориҷ кардани ҳубобҳои газ дар гармкунаки 70 °C барои 1 соат сахт карда шуд. Плёнкаи PDMS-и ҳосилшуда аз қолаб хориҷ карда шуд.

Сипас плёнкаи PDMS дар ҳолати пурра ғӯтондашуда дар равғани силикон 24 соат нигоҳ дошта шуд. Пас аз хориҷ кардани плёнка онро дар ҳолати амудӣ гузоштанд, то равғани зиёдатӣ ҷорӣ шавад. Бо ин роҳ плёнкаи PDMS-равғани силикон бо ғафсии тақрибан 1.5 mm ва қабати молидании рӯйи он ба даст омад.

Ин плёнка рӯйи қабати LCE ҷойгир карда шуда, сатҳи композитии PDMS-равғани силикон/LCE ташкил карда шуд. Қатра бевосита рӯйи LCE не, балки рӯйи сатҳи болоии PDMS-и равғанкоришуда ва камсоиш ҳаракат мекунад; LCE аз поён ҳамчун манбаи гармии фототермалӣ амал мекунад.

Кунҷи лағзиш интихоби сатҳро чӣ гуна муайян кард?

Кунҷи лағзиш кунҷи моилшавиест, ки ҳангоми хам кардани сатҳ қатра ба ҳаракат оғоз мекунад. Кунҷи хурди лағзиш одатан нишон медиҳад, ки муқовимати сатҳ ба ҳаракати қатра камтар аст. Қиматҳои дар Расми 3-и манбаъ гузоришшуда чунинанд:

Ин муқоиса ба таври равшан нишон медиҳад, ки танҳо хосияти фототермалии LCE кофӣ нест. Манбаи энергия/қувва ва муқовимати пасти сатҳӣ бояд ҳамчун ду функсияи ҷудогона дар як системаи композитӣ якҷо карда мешуданд.

Шароити озмоиши ҳаракати қатра

• Қатра: 5 µL оби деионизатсияшуда.
• Сатҳ: композити PDMS-равғани силикон/LCE.
• Дарозии мавҷи нур: 365 nm UV.
• Шиддати нур: 250 mW/cm².
• Ҷойи нурборонӣ: тарафи чапи қатра.
• Самти ҳаракат: ба тарафи минтақаи нурнадида.
• Масофаи мушоҳидашуда: 16 mm.
• Вақти мушоҳидашуда: тақрибан 34 s.
• Суръати миёнаи дар манбаъ гузоришшуда: 0.47 mm/s.

Дар озмоишҳои марбут ба пайгирии визуалӣ ба қатра пигменти сиёҳ илова карда шуд. Ҳангоми оғози нурборонии маҳаллӣ ҳарорат дар тарафи чап баланд шуд ва қатра аз ҳолати ором ба ҳолати ҳаракаткунанда гузашт. Ҳангоми хомӯш кардани манбаи UV ҳаракат дар муддати кӯтоҳ қатъ шуд.

Озмоишҳои назоратӣ

Бозсозии механизми манбаъ барои Verianla

Муодилаи 1 — Муодилаи Young

Формула чиро шарҳ медиҳад? Муодилаи Young тавозуни байни кунҷи тамоси қатра ва кашишҳои гуногуни байнифазиро алоқаманд мекунад. Дар таҳқиқот ин муодила барои шарҳ додани он истифода шудааст, ки чаро ҳангоми тағйири яке аз кашишҳои байнифазӣ бо сабаби тағйири маҳаллии ҳарорат кунҷи тамоси қатра метавонад тағйир ёбад.

• γ_la: кашиши байнифазии моеъ–ҳаво.
• γ_oa: кашиши байнифазии равған–ҳаво.
• γ_ol: кашиши байнифазии равған–моеъ.
• θ: кунҷи тамос.

Воҳиди SI-и кашишҳои байнифазӣ N/m аст; кунҷи тамос бузургии кунҷӣ мебошад. Дар муодила cosθ беандоза аст, аз ин рӯ ҳади γ_lacosθ низ андозаи N/m дорад ва ҳар ду тарафи муодила аз нигоҳи андоза мувофиқанд.

Ҳангоми гарм кардани LCE дар тарафи A бо нури UV, мувофиқи шарҳи механизми таҳқиқоти манбаъ, дар ин минтақа γ_oa(A) коҳиш меёбад ва ҳамзамон кунҷи тамос θ_A зиёд мешавад. Дар тарафи B, ки нур намегирад, ҳарорати пасттар нигоҳ дошта мешавад. Дар натиҷа тавозуни ибтидоии θ_A = θ_B вайрон шуда, ба ҳолати θ_A > θ_B мегузарад.

Муодилаи 2 — Қувваи Young аз градиенти таршавӣ

Формула чиро ҳисоб мекунад? Дар манбаъ F_Y ифодаи тахминии қувваи ҳаракатдиҳандаест, ки ҳангоми фарқ кардани кунҷҳои тамос дар ду тарафи қатра аз градиенти таршавӣ ба вуҷуд меояд.

• F_Y: қувваи Young/градиенти таршавӣ; воҳиди қувва N.
• R: радиуси хоси қатра; воҳиди дарозӣ m.
• θ_A: кунҷи тамос дар тарафи A-и нурдида ва гармтар.
• θ_B: кунҷи тамос дар тарафи B-и нурнадида.
• γ_la: кашиши байнифазии моеъ–ҳаво; N/m.

Аз нигоҳи андоза R × γ_la = m × N/m = N аст, бинобар ин ифода қувва медиҳад. Агар θ_A ва θ_B фарқ накунанд, фарқи косинусҳо ба сифр наздик мешавад ва таъсири ҳаракатдиҳандаи ин ҷузъи қувва аз байн меравад. Аз ин рӯ, механизми асосии таҳқиқот на танҳо ба қимати кунҷи тамос, балки ба асимметрияи байни ду тарафи қатра асос меёбад.

Муодилаи 3 — Қувваи Marangoni

Формула чиро ҳисоб мекунад? F_M қувваи тахминии Marangoni-ро ифода мекунад, ки аз градиенти кашиши сатҳии моеъ–ҳаво бар асари тағйирёбии ҳарорат вобаста ба мавқеъ ба қатра таъсир мекунад.

• F_M: қувваи Marangoni; N.
• R: радиуси хоси қатра; m.
• dγ_la/dT: ҳассосияти кашиши сатҳии моеъ–ҳаво ба ҳарорат; тақрибан N/(m·K).
• dT/dx: градиенти ҳарорат дар тӯли сатҳ; K/m.

Ҳангоми таҳлили андоза R² × [N/(m·K)] × [K/m] = N ба даст меояд. Ҳамин тавр, ифода андозаи қувва дорад.

Дар ин муодила ҳосили зарби ду ҳосила муҳим аст. Агар кашиши сатҳӣ аз ҳарорат таъсир нагирад, dγ_la/dT хурд мешавад; агар дар тӯли сатҳ фарқи ҳарорат набошад, dT/dx хурд мешавад. Дар ҳар ду ҳолат тела додани Marangoni вобаста ба ҳарорат кам мешавад. Ин шарҳ аз сохтори математикии муодила бармеояд; дар манбаъ, илова бар ин, ҷараёни Marangoni вобаста ба градиенти ҳароратии бо UV эҷодшуда бо нишонгузори рангӣ мушоҳида шудааст.

Тавозуни қувваҳо барои ҳаракат

Дар таҳлили механизми таҳқиқоти манбаъ барои оғоз шудани ҳаракати қатра шарти зерин истифода шудааст:

Дар ин ҷо F_H қувваи муқовимати сатҳ ба ҳаракати қатра мебошад. Ин робита шарҳ медиҳад, ки чаро таҳқиқот ҳам ба LCE ва ҳам ба қабати хеле лағжандаи PDMS-равғани силикон ниёз дорад. LCE асимметрияи ҳарорат/таршавиро таъмин мекунад, ки F_Y ва F_M-ро ба вуҷуд меорад; PDMS-и равғанкоришуда бошад F_H-ро кам мекунад. Агар қувваҳои ҳаракатдиҳанда аз муқовимати сатҳ зиёд нашаванд, ҳатто ҳангоми баланд шудани ҳарорат қатра метавонад ҳаракат накунад.

Таъсири ҳарорат ба кунҷи тамоси об

Ҳангоми аз 25 °C то 55 °C боло рафтани ҳарорат, зиёд шудани кунҷи статикии тамос аз 98.2° то 106.2° дастгирӣ мекунад, ки ҳарорат метавонад геометрияи қатраро дар сатҳи PDMS-и равғанкоришуда тағйир диҳад. Муҳаққиқон ин мушоҳидаро ҳамчун яке аз асосҳои таҷрибавии он истифода кардаанд, ки баландшавии маҳаллии ҳарорати аз LCE ҳосилшуда метавонад дар ду тарафи қатра асимметрияи кунҷи тамос ба вуҷуд орад.

Озмоиши якҷошавии қатраҳо

Дар таҳқиқот илова ба ҳаракати як қатра, бо ҳамон система ду қатраи 5 µL истифода шуданд. Дар набудани нур ҳар ду қатра беҳаракат монданд. Татбиқи UV ба қатраи аввал дар самти мувофиқ онро ба сӯи қатраи дуюм ҳаракат дод ва ду қатра якҷо шуданд.

Қатраи тақрибан 10 µL, ки дар натиҷаи якҷошавӣ ҳосил шуд, дар тамоми муддати идомаи нури UV ҳаракаташро идома дода, дар 25 сония 7 mm масофаро тай кард. Манбаъ суръати миёнаи ҳаракатро тақрибан 0.28 mm/s гузориш мекунад. Ҳангоми қатъ кардани нури UV қатраи якҷошуда низ бозистод.

Фарқи суръат байни ду озмоиш, мувофиқи шарҳи манбаъ, нишон медиҳад, ки ҳаҷми қатра метавонад ба суръати интиқол таъсир расонад. Аммо танҳо аз ин ду ҳаҷм баровардани муносибати умумии суръат–ҳаҷм ё сохтани қонуни математикии миқёссозӣ аз ҷониби манбаъ дастгирӣ намешавад.

Аз нигоҳи номуайянӣ ва омор чӣ медонем?

Дар Расми 2-и манбаъ гуфта шудааст, ки каҷҳои ҳарорати фототермалӣ миёнаи се ченкунии мустақилро нишон медиҳанд ва минтақаҳои соягини атрофи онҳо инҳирофи стандартиро (SD) ифода мекунанд. Бо вуҷуди ин, манбаъ қиматҳои хоми рақамии ҳароратро барои ҳамаи нуқтаҳои вақт дар шакли матн ё ҷадвал пешниҳод намекунад. Аз ин рӯ, дар матни Verianla аз график қиматҳои нави дақиқи ҳарорат ҳосил карда нашудаанд.

Дар тасвирҳои кунҷи лағзиш ва кунҷи тамос қиматҳои ± гузориш шудаанд. Дар манбаъ инчунин санҷиши фарогири гипотеза, p-қиймат ё таҳлили андозаи таъсир гузориш нашудааст. Ин таҳқиқот асосан ба омодасозии мавод, тавсифи сатҳ, озмоишҳои назоратӣ ва нишон додани механизми физикӣ такя мекунад.

Ҷанбаҳои асосии қавии таҳқиқот

• Ҳаракати самтнок бе илова кардани нанозарраҳои фототермалӣ ба дохили қатра нишон дода шудааст.
• Барои он ки ҳаракати қатра танҳо ба мавҷудияти UV нисбат дода нашавад, озмоишҳои назоратӣ бо сатҳҳои гуногун истифода шудаанд.
• Рафтори фототермалии LCE бо тасвирбардории ҳароратӣ арзёбӣ шудааст.
• Муқовимати пасти сатҳӣ бо ченкуниҳои кунҷи лағзиш ба таври миқдорӣ муқоиса шудааст.
• Муносибати ҳарорат–кунҷи тамос бо озмоишҳои ҷудогона омӯхта шудааст.
• Барои дастгирии ҷараёни Marangoni мушоҳида бо нишонгузори рангӣ истифода шудааст.
• Илова ба интиқоли як қатра, якҷо кардани ду қатра низ нишон дода шудааст.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот

• Озмоишҳо дар сатҳҳои композитии дар миқёси лабораторӣ омодашуда гузаронида шудаанд.
• Дар озмоиши асосии ҳаракат қатраи 5 µL оби деионизатсияшуда ва шароити мушаххаси UV истифода шудааст; иҷроиш барои моеъҳои гуногун ба таври умумӣ нишон дода нашудааст.
• Шарти асосии ҳаракати UV 365 nm ва 250 mW/cm² аст; нишон дода нашудааст, ки манбаъҳои дигари нур ҳамон иҷроиши интиқолро медиҳанд.
• Манбаъ барои ҳамаи ҳаҷмҳои эҳтимолии қатра муносибати суръат–ҳаҷм насохтааст.
• Устувории дарозмуддати даврӣ ё иҷроиш дар шумораи зиёди давраҳои такрории интиқол ба таври муфассал гузориш нашудааст.
• Дастгоҳи воқеии микрофлюидӣ, намунаи биологӣ, дору ё иҷроиши интиқоли ҳуҷайра санҷида нашудааст.
• Ҷамъоварии туман, худтозакунӣ ва пешгирии яхбандӣ дар ин таҳқиқот ҳамчун истифодаҳои таҷрибавӣ тасдиқ нашудаанд.
• Деформатсияи барномарезишавандаи LCE ва идоракунии бисёрқатрагӣ бо нури нақшдор, ки барои оянда пешниҳод шудаанд, натиҷаи амалишудаи таҳқиқоти ҷорӣ нестанд.

Хулосаи дурусти илмии таҳқиқот

Хулосаи асосии ин таҳқиқот он аст, ки градиенти ҳарорати фототермалӣ, ки LCE-и пайвандшуда дар зери нурборонии маҳаллии UV ба вуҷуд меорад, ҳангоми истифода бо сатҳи PDMS-и камсоиш ва бо равғани силикон равғанкоришуда метавонад интиқоли самтноки қатраҳои обро таъмин кунад. Озмоишҳои манбаъ дастгирӣ мекунанд, ки танҳо гармшавии фототермалӣ ё танҳо соиши паст кофӣ нест; барои ҳаракат ҳамкории ҳар ду таъсир зарур аст.

Дар ин механизм дар минтақаи бо нур гармшуда тавозуни кунҷи тамос вайрон мешавад ва ҳам қувваи Young вобаста ба градиенти таршавӣ ва ҳам қувваи Marangoni вобаста ба градиенти кашиши сатҳии аз ҳарорат ҳосилшуда ба самти ҳаракат саҳм мегузоранд. Ҳаракати қатра бо аз муқовимати сатҳ зиёд шудани ин қувваҳо алоқаманд дониста мешавад.

Таҳқиқот барои сатҳҳои зеҳние, ки бе тамос ва бо нур идора мешаванд, як равиши таҷрибавӣ пешниҳод мекунад. Аммо ҷамъоварии туман, худтозакунӣ, пешгирии яхбандӣ ё амалҳои мураккабтари бисёрқатрагӣ, ки таҳқиқот барои оянда пешниҳод мекунад, истифодаҳои тасдиқшудаи мақолаи ҷорӣ нестанд, балки самтҳои эҳтимолӣ барои таҳқиқоти минбаъда мебошанд.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

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

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

Муаллифони масъул: Yanping Deng ва Jiawen Chen.

Саҳми баробар: Дар мақолаи манбаъ изҳорот дар бораи саҳми баробар/ҳаммуаллифии аввал зикр нашудааст.

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

Маҷалла: Chemistry.

Ношир: MDPI, Basel, Switzerland.

Сабти библиографӣ: Chemistry 2026, 8(9), 116.

DOI: 10.3390/chemistry8090116

Пайванди расмӣ: https://doi.org/10.3390/chemistry8090116

Ҷадвали замонии мақола: Received: 20 Июл 2026; Revised: 13 Август 2026; Accepted: 23 Август 2026; Published: 26 Август 2026.

Навъи манбаъ ва вазъи баррасии ҳамтоён: Ин мақолаи таҳқиқотӣ аст, ки дар маҷаллаи Chemistry нашр шудааст. Chemistry маҷаллаи байналмилалии кимиёвии дастрасии кушода ва баррасишавандаи ҳамтоён мебошад, ки аз ҷониби MDPI нашр мешавад.

Иҷозатнома: Иҷозатномаи дастрасии кушодаи Creative Commons Attribution (CC BY).

Вазъи preprint: Дар PDF-и манбаи баррасишуда версияи preprint ё идентификатори preprint зикр нашудааст.

Навъи таҳқиқот: Илми таҷрибавии полимер/мавод, илми сатҳ ва сарҳади байнифазӣ, тавсифи фототермалӣ ва манипулятсияи қатра дар миқёси лабораторӣ.

Маблағгузорӣ: National Key R&D Program of China, рақами лоиҳа 2020YFE0100200; Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation, рақами лоиҳа 2025A1515011287.

Дастрасии маълумот: Гуфта шудааст, ки маълумоти дастгирикунандаи натиҷаҳои таҳқиқотро бо дархости асоснок аз муаллифи масъул гирифтан мумкин аст.

Тазоди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки тазоди манфиатҳо вуҷуд надорад.

Саҳми муаллифон: Shuhua Li: тарҳрезии озмоиш, иҷрои озмоишҳо, ҷамъоварии маълумот ва навиштани тарҳи аввал. Yan Lin: иҷрои қисми озмоишҳо ва ҷамъоварии маълумот. Yanping Deng: баррасӣ ва таҳрир. Jiawen Chen: навиштан, баррасӣ ва ниҳоӣ кардани мақола. Ҳамаи муаллифон версияи нашршударо хонда ва тасдиқ кардаанд.

Маводҳои иловагӣ: Дар маводҳои иловагии таҳқиқоти манбаъ спектрҳои FTIR, ҳаракати қатраҳо дар сатҳҳои гуногун, тасвирҳои ғафсии LCE ва PDMS, видеоҳои фототермалии IR-и намунаҳои гуногуни LCE, шиддатҳои гуногуни нур, кунҷҳои лағзиш, сатҳҳои назоратӣ, ҳаракати як қатра, ҷараёни Marangoni ва видеоҳои марбут ба якҷошавии ду қатраи 5 µL, инчунин ҷадвали таркиби PETMP-0/PETMP-20/PETMP-40 мавҷуданд.

Маҳдудияти асосии методологӣ: Таҳқиқот озмоиши идорашавандаи қатра дар сатҳи композитии миқёси лабораторӣ бо 365 nm UV мебошад. Натиҷаҳоро ба моеъҳои дигар, манбаъҳои дигари нур, истифодаҳои саноатӣ ё системаҳои интиқоли биологӣ/клиникӣ ба таври автоматӣ умумӣ кардан мумкин нест. Соҳаҳои истифодаи оянда пешбинии муаллифони манбаъ мебошанд ва натиҷаҳои дар озмоиши ҷорӣ тасдиқшуда нестанд.