Los Ingenieros Del MIT Controlan Y Separan Los Fluidos Mediante Luz Visible

Los ingenieros controlan y separan los fluidos mediante luz visible

MIT Los ingenieros han desarrollado un nuevo sistema que utiliza la luz para controlar la forma en que el agua se mueve sobre una superficie. Este avance puede abrir la puerta a tecnologías tales como dispositivos de diagnóstico de microfluidos cuyos canales y válvulas podrían reprogramarse sobre la marcha, o sistemas de campo que podrían separar el agua del petróleo en una plataforma de perforación.

El nuevo sistema, publicado en la revista Nature Communications , fue desarrollado por la profesora asociada de ingeniería mecánica del MIT Kripa Varanasi, el profesor de innovación docente de la Escuela de Ingeniería Gareth McKinley, el ex postdoctoral Gibum Kwon, la estudiante de posgrado Divya Panchanathan, el ex científico investigador Seyed Mahmoudi y Mohammed Gondal en la Universidad King Fahd de Petróleo y Minerales en Arabia Saudita.

El objetivo inicial del proyecto era encontrar formas de separar el petróleo del agua, por ejemplo, para tratar la mezcla espumosa de agua salada y petróleo crudo producida en ciertos pozos de petróleo. Cuanto más se entremezclan estas mezclas, cuanto más finas son las gotas, más difíciles son de separar. A veces se utilizan métodos electrostáticos, pero consumen mucha energía y no funcionan cuando el agua es muy salina, como suele ser el caso. En cambio, los ingenieros exploraron el uso de superficies “fotosensibles”, cuyas respuestas al agua pueden alterarse con la exposición a la luz.

Al crear superficies cuyas interacciones con el agua, una propiedad conocida como humectabilidad, podrían activarse con la luz, el equipo descubrió que podían separar directamente el aceite del agua al hacer que las gotas individuales de agua se fusionaran y se extendieran por la superficie. Cuanto más se fusionan las gotas de agua, más se separan del aceite.

Los ingenieros separan los fluidos con luz visible

El método también se utilizará para impulsar gotas de agua a través de una superficie, como demostró el equipo en una serie de experimentos. Al cambiar selectivamente la humectabilidad del material usando un haz de luz en movimiento, una gota puede dirigirse hacia el área más humectable, impulsándola en cualquier dirección deseada con gran precisión.

Los materiales fotosensibles se han estudiado y utilizado ampliamente; un ejemplo es el ingrediente activo de la mayoría de los protectores solares, el dióxido de titanio, también conocido como titania. Pero la mayoría de estos materiales, incluida la titania, responden principalmente a la luz ultravioleta y casi nada a la luz visible. Sin embargo, solo alrededor del 5 por ciento de la luz solar está en el rango ultravioleta. Entonces, los ingenieros encontraron una forma de tratar la superficie de titania para que responda a la luz visible.

Lo hicieron utilizando primero una técnica de deposición capa por capa para construir una película de partículas de titania unidas a polímero sobre una capa de vidrio. Luego recubrieron el material por inmersión con un tinte orgánico simple. La superficie resultante resultó ser muy sensible a la luz visible, produciendo un cambio en la humectabilidad cuando se expone a la luz solar que es mucho mayor que la de la propia titania. Cuando se activa con la luz solar, el material demostró ser muy eficaz para “desemulsionar” la mezcla de aceite y agua, consiguiendo que el agua y el aceite se separen entre sí.

“Nos inspiramos en el trabajo en energía fotovoltaica, donde se utilizó la sensibilización con colorantes para mejorar la eficiencia de absorción de la radiación solar”, dice Varansi. “El acoplamiento del tinte a las partículas de titania permite la generación de portadores de carga tras la iluminación con luz. Esto crea una diferencia de potencial eléctrico que se establece entre la superficie y el líquido tras la iluminación, y conduce a un cambio en las propiedades humectantes “.

“El agua salina se esparce sobre nuestra superficie bajo iluminación, pero el petróleo no”, dice Kwon, quien ahora es profesor asistente en la Universidad de Kansas. “Descubrimos que prácticamente toda el agua de mar se esparcirá en la superficie y se separará del petróleo crudo, bajo luz visible”.

El mismo efecto también podría usarse para impulsar gotas de agua a través de una superficie, como demostró el equipo en una serie de experimentos. Al cambiar selectivamente la humectabilidad del material usando un haz de luz en movimiento, una gota puede dirigirse hacia el área más humectable, propulsando en cualquier dirección deseada con gran precisión. Tales sistemas podrían diseñarse para fabricar dispositivos de microfluidos sin límites o estructuras incorporados. El movimiento del líquido, por ejemplo, una muestra de sangre en un laboratorio de diagnóstico en un chip, estaría completamente controlado por el patrón de iluminación que se proyecta sobre él.

Los ingenieros del MIT controlan los fluidos con luz visible

Al crear superficies cuyas interacciones con el agua, una propiedad conocida como humectabilidad, pueden ser activadas por la luz, los investigadores descubrieron que podían separar directamente el aceite del agua. El proceso hace que las gotas de agua individuales se fusionen y se extiendan por la superficie.

“Al estudiar sistemáticamente la relación entre los niveles de energía del tinte y la humectabilidad del líquido en contacto, hemos creado un marco para el diseño de estos sistemas de manipulación de líquidos guiados por luz”, dice Varanasi. “Al elegir el tipo correcto de tinte, podemos crear un cambio significativo en la dinámica de las gotas. Es un movimiento inducido por la luz, un movimiento de gotas sin contacto ”.

La humectabilidad conmutable de estas superficies tiene otra ventaja: pueden ser en gran parte autolimpiables. Cuando la superficie se cambia de atrayente de agua (hidrófila) a repelente de agua (hidrófoba), cualquier agua en la superficie se expulsa, llevando consigo cualquier contaminante que pueda haberse acumulado.

Dado que el efecto fotorrespuesta se basa en el recubrimiento de tinte, se puede ajustar en gran medida seleccionando entre los miles de tintes orgánicos disponibles. Todos los materiales involucrados en el proceso están ampliamente disponibles, son económicos, materiales básicos, dicen los investigadores, y los procesos para fabricarlos son comunes.

La investigación fue apoyada por la Universidad King Fahd de Petróleo y Minerales, a través del Centro de Agua Limpia y Energía Limpia del MIT y KFUPM.

Publicación: Gibum Kwon, et al., “Manipulación guiada por luz visible de la humectabilidad del líquido en superficies fotosensibles”, Nature Communications 8, Número de artículo: 14968 (2017)
doi: 10.1038 / ncomms14968

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