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MIT研究新发现:仅凭可见光就可油水分离?

MIT研究新发现:仅凭可见光就可油水分离?

麻省理工学院的研究人员们研发了一种非常新颖的体系,它可以只通过可见光就能控制流体在表面上的运动路线。

来自 | SCI NEWS
编译 | 周诗雨

麻省理工学院机械工程副教授剂及文章高级作者Kripa Varanasi,在Nature Communications杂志上对这一新技术进行阐述时表示:“我们受到太阳能光伏技术工作的启发,利用染料的敏化来提高太阳辐射的吸收效率。”

该团队最开始的目标是寻找油水分离的方法,例如处理某些油井生产的水油泡沫混合物。

在处理这些水油混合物时,人们有时会采用静电法,但是当水的含盐度特别高时,这种方法非常耗能,而通常现实中又常常如此。因此,瓦拉纳西博士和他的伙伴换了一个研究方向,利用界面的“光敏”性(通过曝光量的不同,可以改变界面对水的响应)来达到油水分离这一目的。

MIT研究新发现:仅凭可见光就可油水分离?

NaCl溶液液滴的光诱导聚结变化图。将氯化钠溶液液滴置于浸在十二烷中的二氢卟吩染料敏化的二氧化钛表面上,比例尺:1cm

通过制作一个能够与水进行相互作用的界面,则可以利用光改变界面的润湿性。研究人员们发现,通过结合独立的水滴,并在表面铺开,可以直接将油从水中分离开来。水滴之间彼此融合得越好,与油的分离程度也就越高。

针对光敏材料的研究和应用非常广泛。其中一个最常见的例子,就是大多数防晒剂中使用的活性成分—二氧化钛(TiO2)。

但是包括TiO2在内的大多数光敏材料,主要是对紫外线产生响应,对可见光的响应几乎没有。然而,只有约5%的阳光在紫外线的范围内。

针对这一问题,研究人员找到了一种通过对TiO2表面进行处理,使其能够响应可见光的方法。在这一方法中,首先,他们利用逐层沉积技术在玻璃层上建立起一层高分子担载TiO2颗粒膜。然后,研究团队利用简单的有机染料对材料进行了浸涂。这样得到的表面对可见光非常敏感,当暴露在阳光下时,润湿性的改变幅度则远远大于只使用TiO2时的幅度。

该材料可以对太阳光产生响应,也被证明是非常有效的油水混合物的“破乳剂”—能够使水油之间彼此分离。瓦拉纳西博士说:“染料与TiO2颗粒的耦合能够在光照下产生电荷载体。在照明时,表面和液体之间会建立起一个电位差,并导致润湿性的改变。”

堪萨斯大学助理教授,Gibum Kwon博士补充说:“盐水会在照明下分散在我们制作的这个表面上,但油不会。我们发现,几乎所有的海水都会在表面上分散开来,并在可见光下与原油分离。”

如同团队在一系列实验中所展示的,同样的效应也可用于驱动水面上的水滴。

通过移动光束,可以有选择性地改变材料的润湿性。这种方法可以以很高的精度将液滴向任何方向驱动,因此可以将液滴驱向润湿性更好的区域。这样的系统被设计成没有内置边界或结构的微流体装置。液体的运动—例如诊断芯片实验室中的血液样品—将完全由投射到其上的照明模式所控制。

瓦拉纳西博士说:“通过系统地研究染料的能量水平和接触液体的润湿性之间的关系,我们提出了这些光束引导液体操纵系统的设计框架。

“通过选择正确的染料,我们可以很大程度地去改变液滴的动力学。它是一种光诱导运动,是一种不接触液滴的运动。”

这种可切换润湿性的表面还有另一个好处—很大程度上,它们可以实现自我清洁。当表面从吸水性变为排水性时,表面上的任何水都会被排出,并携带走一切可能堆积起来的污染物。

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