图片来源:麻省理工学院
由MIT工程师开发的新系统可以使用仅使用光线来控制水在表面上移动的方式。研究人员说，这次前进可以向诸如微流体诊断装置的通道和阀门可以在飞行中重新编程的微流体诊断装置，或者可以将水从钻井平台上分离出来的野外系统。
该系统发表在期刊上自然通讯，由麻省理工学院机械工程副教授Kripa Varanasi，工程学院教学创新教授Gareth McKinley，前博士后Gibum Kwon，研究生Divya Panchanathan，前研究科学家Seyed Mahmoudi，以及沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿产大学的穆罕默德·贡达尔。
该项目的初步目标是寻找分离油从水分离的方法，例如，处理小型水和原油从某些油井生产的泡沫混合物。这些混合物更彻底地混合 - 液滴更好 - 它们越难以分离。有时，使用静电方法，但这些是能量密集的，当水是高度盐水时，这些都是不起作用的。相反，该团队探索了使用“光响应”表面，其对水的反应可以通过暴露于光而改变。
通过创造与水相互作用的表面——一种被称为润湿性的特性——可以被光激活，研究人员发现，他们可以通过使单个水滴聚合并在表面扩散，直接将油与水分离。水滴融合在一起的越多，它们从油中分离出来的就越多。
光响应材料已被广泛研究和使用;一个例子是大多数防晒剂，二氧化钛中的活性成分，也称为二氧化钛。但大多数这些材料（包括Titania），主要是紫外线响应，几乎几乎都以可见光。然而，只有约5％的阳光在紫外线范围内。因此，研究人员弄清楚了一种方法来治疗二氧化钛表面，使其响应可见光。
它们通过首先使用层逐层沉积技术来实现，以在一层玻璃层上积聚聚合物结合的二氧化钛颗粒膜。然后用简单的有机染料浸涂材料。得到的表面对可见光产生高度响应，在暴露于阳光下产生润湿性的变化，这远远大于二氧化钛本身。当阳光激活时，该材料在“破坏”油水混合物中证明非常有效 - 使水和油彼此分开。
“我们受到光伏作品的启发，其中染料敏化用于提高太阳辐射的吸收效率，”Varansi说。“染料与二氧化钛颗粒的偶联允许在光照射时产生电荷载体。这在照明时产生了在表面和液体之间建立的电势差，并导致润湿性能的变化。“
“在光照下，咸水会在我们的表面扩散，但石油不会，”堪萨斯大学(University of Kansas)助理教授Kwon说。“我们发现，在可见光下，几乎所有的海水都会扩散到海面，与原油分离。”
正如该团队在一系列实验中证明的那样，同样的效果也可以用来驱动水滴穿过表面。通过使用移动光束选择性地改变材料的润湿性，液滴可以被导向更可湿的区域，以极高的精确度将其推向任何想要的方向。这种系统可以设计成没有内置边界或结构的微流体设备。液体的移动——例如芯片诊断实验室中的血液样本——将完全由投射在其上的照明模式控制。
瓦拉纳西说:“通过系统地研究染料的能级和接触液体的润湿性之间的关系，我们为这些光导液体操纵系统的设计提出了一个框架。”“通过选择正确的染料种类，我们可以在液滴动力学方面产生重大变化。这是光引起的运动——水滴的无触点运动。”
这些表面的可切换润湿性具有另一个好处：它们可以很大程度上是自清洁。当表面从吸水（亲水）切换到水排放（疏水）时，表面上的任何水都被驱除，携带任何可能构建的污染物。
由于光响应效应是基于染料涂层，它可以通过从数以千计的可用有机染料中选择来高度调节。研究人员说，这一过程中涉及的所有材料都是广泛可用的廉价商品材料，制造它们的过程也很普通。
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