ПОВЕРХНОСТЬ ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО ПЕРЕНОСА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ, В ЧАСТНОСТИ ПРОТИВ ВНЕШНЕГО ДАВЛЕНИЯ
SURFACE FOR DIRECTED TRANSFER OF FLUID MEDIUM, IN PARTICULAR AGAINST EXTERNAL PRESSURE

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В связи с беспорядочным расположением волокон во многих пористых структурах, применяемых в поглощающих структурах и структурах для переноса текучих сред, обычно требуется большое количество материалов для перемещения объемов текучих сред. Как следствие, для переноса текучей среды совместно используется несколько материалов с различными свойствами. Поверхность, которая могла бы улучшить перемещение текучей среды, позволила бы структуре показывать более хорошие результаты и задействовать способность, которая обычно не используется. Такая поверхность может быть образована или размещена для облегчения перемещения жидкости. Таким образом, текучая среда не перемещается случайным образом, а вместо этого следует за структурой поверхности, даже если структура поверхности согнута или расположена другим образом, таким образом существует перенос текучей среды против силы тяжести или против другого внешнего источника давления. Это дает возможность спроектировать траекторию движения текучей среды.
Предыдущие безуспешные попытки решения этих или связанных проблем включают заявку на патент Канады № CA2875722 A1, принадлежащую Commans и соавт., которая описывает взаимосвязанные капилляры, и техническую публикацию «One-way Wicking in Open Micro-channels Controlled by Channel Topography», Journal of Colloid и Interface Science 404 (2013), стр. 169—178, которая описывает направленный перенос текучей среды, имеющий целью минимизировать, но не исключить, обратный поток. В заявке на патент № US 2016/0167043, принадлежащей Baumgartner и соавт., описывается поверхность для направленного переноса текучей среды, но не раскрываются или не сообщаются изменения в глубине канала или какие-либо его эффекты. Кроме того, в заявке на патент № WO 2016/124321 A1 описывается направленный перенос, перпендикулярный поверхности, где изменения в глубине перпендикулярно направлению переноса жидкости не раскрыты или не сообщены. Микрофлюидные клапаны, такие как описанные в технической публикации «Valves for Autonomous Capillary Systems. Microfluidics and Nanofluidics», 5, (2008) стр. 395—402, выполнены для остановки или задержки потока жидкости в одном направлении; однако они расположены таким образом, что не обеспечивают поток вдоль поверхности. Кроме того, капиллярные каналы имеют одинаковую глубину и выполнены с возможностью остановки жидкости только спереди в течение нескольких секунд.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Описание, приведенное в настоящем документе, решает проблемы, описанные выше, и обеспечивает повышение эффективности в перемещении текучей среды.
В соответствии с настоящим изобретением капиллярная структура для пассивного направленного переноса текучей среды содержит капилляр с направлением вперед и направлением назад, проходящими в плоскости x-y, и глубиной, проходящей в направлении z, при этом капилляр содержит первую и вторую капиллярные ячейки, каждая из которых имеет расширяющийся участок с задним концом, передним концом и шириной в направлении y, при этом ширина увеличивается от заднего конца к переднему концу, при этом задний конец расширяющегося участка второй капиллярной ячейки соединен с передним концом расширяющегося участка первой капиллярной ячейки с образованием переходного участка с резким уменьшением по ширине от переднего конца расширяющегося участка первой капиллярной ячейки к заднему концу расширяющегося участка второй капиллярной ячейки, и при этом глубина в переходном участке меньше глубины в каждом расширяющемся участке.
В настоящем изобретении также описывается подложка для направленного переноса текучей среды с краевым углом смачивания θ, при этом подложка содержит капиллярную структуру для пассивного направленного переноса текучей среды, при этом капиллярная структура содержит множество капилляров, каждый из которых имеет направление вперед и направление назад, проходящие в плоскости x-y, и глубину, проходящую в направлении z, при этом каждый капилляр содержит первую и вторую капиллярные ячейки, каждая из которых имеет расширяющийся участок с задним концом, передним концом и шириной в направлении y, при этом ширина увеличивается от заднего конца к переднему концу, при этом задний конец каждого расширяющегося участка второй капиллярной ячейки соединен с передним концом соответствующего расширяющегося участка первой капиллярной ячейки с образованием переходного участка с резким уменьшением по ширине от переднего конца расширяющегося участка первой капиллярной ячейки к заднему концу расширяющегося участка второй капиллярной ячейки, и при этом глубина в переходном участке меньше глубины в каждом расширяющемся участке.
связующий
В настоящем изобретении дополнительно описывается капиллярная структура для пассивного направленного переноса текучей среды с краевым углом смачивания θ относительно капиллярной структуры, при этом структура содержит капилляр с направлением вперед и направлением назад, проходящими в плоскости x-y, и глубиной, проходящей в направлении z, при этом капилляр содержит первую и вторую капиллярные ячейки, каждая из которых имеет расширяющийся участок с задним концом, передним концом и шириной в направлении y, при этом ширина увеличивается линейно от заднего конца к переднему концу, связующий участок, расположенный между передним концом расширяющегося участка первой капиллярной ячейки и задним концом расширяющегося участка второй капиллярной ячейки, при этом связующий участок находится в сообщении по текучей среде с каждым расширяющимся участком, при этом задний конец каждого расширяющегося участка второй капиллярной ячейки соединен со связующим участком, при этом передний конец соответствующего расширяющегося участка первой капиллярной ячейки соединен со связующим участком с образованием переходного участка с резким уменьшением по ширине от переднего конца расширяющегося участка первой капиллярной ячейки к связующему участку, и при этом глубина в переходном участке меньше глубины в каждом расширяющемся участке, и при этом связующий участок с профилем по ширине w(x) изменяется в глубину с угловым профилем β(x) и имеет отношение сторон α(x)=h(x)/w(x)>(1-cos(θ+β))/(2cosθ)>0, при этом расширяющийся участок расширяется от связующего участка под углом α таким образом, что α<π/2–θ и α<θ, и при этом переходный участок имеет глубину, которая меньше глубины в расширяющемся участке.
Другие признаки и аспекты настоящего изобретения более подробно рассмотрены ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Вышеизложенные и другие признаки и аспекты настоящего изобретения, а также способ их достижения станут более очевидными, и само изобретение станет более понятным из следующего описания, прилагаемой формулы изобретения и сопутствующих графических материалов, где:
на фиг. 1 приведен схематический вид в плане конструкции поверхности капилляра жидкого диода согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2A приведен схематический вид с местным разрезом опционального связующего участка для двунаправленного потока, указанного на А на фиг. 1;
на фиг. 2B приведен схематический вид с местным разрезом конического капиллярного компонента или расширяющегося участка с малыми углами уклона для двунаправленного потока, указанного на B на фиг. 2;
на фиг. 2C приведен схематический вид с местным разрезом опционального связующего участка для двунаправленного потока, указанного на A на фиг. 1, с определенным радиусом кривизны;
на фиг. 3 приведен схематический вид с местным разрезом стыка между коническим капиллярным компонентом по фиг. 2B и связующим капиллярным компонентом по фиг. 2A с резким сужением с образованием отдельной точки перехода, что приводит к направленному потоку, указанному позицией C на фиг. 1, где радиусы кривизны r1 и r2 на фиг. 3 имеют различную длину;
на фиг. 4 приведен вид в перспективе одного аспекта частичного капилляра согласно настоящему изобретению, где капилляр имеет изменяющуюся глубину;
на фиг. 5 приведен вид сверху частичного капилляра по фиг. 4 с примерными размерами;
на фиг. 6 приведен вид сбоку частичного капилляра по фиг. 4 с примерными размерами;
на фиг. 7 приведен вид в перспективе другого аспекта частичного капилляра согласно настоящему изобретению, где капилляр имеет изменяющуюся глубину;
на фиг. 8 приведен вид сверху частичного капилляра по фиг. 7 с примерными размерами;
на фиг. 9 приведен вид сбоку частичного капилляра по фиг. 7 с примерными размерами;
на фиг. 10 приведен вид в перспективе еще одного аспекта частичного капилляра согласно настоящему изобретению, где капилляр имеет постоянную глубину;
на фиг. 11 приведен вид сверху частичного капилляра по фиг. 10 с примерными размерами;
на фиг. 12 приведен вид сбоку частичного капилляра по фиг. 10 с примерными размерами; и
на фиг. 13 приведена поверхность в перспективе с множеством параллельных капилляров, где поверхность установлена под углом Ω к горизонтали для обеспечения возможности испытания свойств переноса текучей среды поверхности.
Повторное применение ссылочных позиций в настоящем описании и в графических материалах предназначено для представления одинаковых или аналогичных признаков или элементов настоящего изобретения. Графические материалы являются иллюстративными и не обязательно вычерчены в масштабе. Некоторые их размеры могут быть преувеличены, тогда как другие могут быть преуменьшены.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Специалисту в данной области следует понимать, что настоящее рассмотрение представляет собой лишь описание примерных аспектов настоящего изобретения и не предназначено для ограничения более широких аспектов настоящего изобретения.
Настоящее изобретение в целом относится к областям применения, в которых используется направленный перенос текучей среды. В общем, спектр применения такого направленного переноса текучей среды широк и варьирует от впитывающих изделий до микроструйной техники, медицинских приборов, перегонных установок, теплообменников, систем охлаждения для электроники, фильтрационных систем, смазочных материалов, дисплеев с использованием электронных чернил и устройств для сбора поверхностного стока.
Настоящее изобретение относится к поверхности для направленного переноса текучей среды, включая полный направленный перенос текучей среды c помощью капиллярных сил. Конструкция обеспечивает направленный поток против силы тяжести (или не против силы тяжести) с помощью закрытых, частично закрытых или открытых капилляров (то есть капилляров) для регулирования переноса текучей среды из исходной точки в отдельную требуемую точку.
В одном примере большое количество материалов требуется для перемещения объемов текучей среды в связи с неупорядоченным расположением волокон во многих пористых структурах. Как следствие, в рамках одного подхода для переноса текучей среды совместно используется несколько материалов с различными свойствами. Поверхность, которая улучшила бы перемещение текучей среды, в частности в более отдаленные части структуры, даже против внешнего давления, например такого, которое было создано силой тяжести, позволила бы структуре задействовать зону потока или поглощающую способность, которые обычно не используются. Такая поверхность, например, может быть выполнена или помещена на слоистый материал, композит, фольгу или пленку, чтобы облегчить перемещение жидкости. Таким образом, текучая среда движется не хаотически, а следует структуре поверхности. Это дает возможность спроектировать траекторию движения текучей среды и управлять ею.
Кроме того, волокнистые пористые структуры подвержены закрытию пор или забиванию в намокшем состоянии, что приводит к неэффективному переносу жидкости. Структура поверхности согласно настоящему изобретению выполнена таким образом, что капилляры обеспечивают возобновляемое свободное пространство путем переноса жидкости в другую точку или в материал для хранения, таким образом обеспечивая возможность повторного использования каналов. Этого можно достичь путем изготовления материала из пленки, геля, или структуры, напоминающей пленку, или жестких материалов, включая жесткие полимерные материалы.
Все комбинации жидких материалов при краевом угле смачивания 0<θ<90° (изначально или посредством обработки) подходят для направленного переноса жидкости согласно настоящему изобретению. Примеры подходящих материалов включают полимеры, металлы, керамические материалы, полупроводники, стекла, пленки, нетканые материалы или любой другой подходящий материал. Термин «полимер» не ограничивается техническими полимерами, а включает такие биоразлагаемые полимеры, такие как соединения целлюлозы, полифосфазены, полимолочные кислоты (ПМК) и эластомеры, такие как полидиметилсилоксан (ПДМС). Особенно подходят для применения согласно настоящему изобретению такие полимеры, как полиметилметакрилат (ПММА), полимолочные кислоты (ПМК), полипропилен (ПП), силиконы, эпоксидные смолы, гидрогели, полиамид (ПА), полиэтилентерефталат (ПЭТФ), ацетат целлюлозы, ацетобутират целлюлозы (АБЦ) и тиолены с отклонениями от стехиометрии. Комбинации жидких материалов, которые не имеют изначального краевого угла смачивания 0<θ<90°, могут изменяться за счет поверхности или химических обработок, таких как плазменная модификация, коронный разряд, нанесение покрытия методом центрифугирования, нанесение покрытия распылением или посредством любого подходящего способа или комбинации способов. Материал может быть или может быть сделан гидрофильным или липофильным.
В отношении конкретной структуры поверхности согласно настоящему изобретению подложка, на которой выполняется структура поверхности, содержит поверхность, которая имеет краевой угол смачивания относительно текучей среды менее 90° по меньшей мере на некоторых участках, где имеет место поток текучей среды. Поверхность имеет структуру, которая содержит множество капилляров с особым последовательным расположением капиллярных компонентов различного элементарного типа.
Структура может быть нанесена лазером или выполнена другими способами изготовления на листе из ПММА (полиметилметакрилата) или на другой подходящей полимерной подложке. Подходящие способы изготовления включают горячее тиснение, трафаретную печать, 3D-печать, микрофрезерование, прессование с созданием копий, литье, литье под давлением, оттиск, травление, фотолитографию, включая оптическую фотолитографию и УФ-литографию, фотополимеризацию, двухфотонную полимеризацию или любой другой подходящий способ или комбинацию способов.
В отличие от других технологий с применением микрожидкостного диода, в структуре настоящего изобретения избегают подвижных частей, таких как заслонки или цилиндрические диски. В настоящем изобретении используются традиционные объемные материалы без необходимости в химической обработке или использовании пористых подложек. Хотя в настоящем изобретении предлагается структура для односторонней капиллярности, изготовленные структуры также обеспечивают полную остановку фронта жидкости в обратном направлении.
Характеристики структур согласно настоящему изобретению исключают необходимость во взаимосвязи между двумя или более капиллярами, как показано в предыдущих работах, таких как заявка на патент Канады № CA2875722 A1, принадлежащая Commans и соавт., которая описывает взаимосвязанные капилляры. Одиночные капилляры согласно настоящему изобретению достаточны для выраженного направленного переноса текучей среды. Однако согласно другим аспектам настоящего изобретения капилляры могут быть взаимосвязаны, если требуется капиллярная сеть. Например, сеть, состоящая из нескольких капилляров, может быть более отказоустойчивой в ответ на закупоривание в одном или нескольких капиллярах по той причине, что для обхода препятствий, вызывающих закупоривание одиночных капилляров, предусмотрены альтернативные пути.
Структура, описанная в настоящем документе, имеет преимущества в связи с отличным исполнением по сравнению с предыдущими структурами. Структура обеспечивает более высокий объемный расход (то есть из расчета на определенный участок поверхности, находящийся в контакте с текучей средой) отчасти благодаря способности обеспечивать более высокую плотность компоновки капилляров ввиду отсутствия необходимости во взаимодействии между двумя капиллярами. Другими словами, пульсирующий поток между двумя взаимодействующими капиллярами отсутствует. Этот более высокий объемный расход обусловлен более высокой скоростью переноса частично в связи с отсутствием пульсирующего потока, который, как правило, ограничивает скорость переноса в направлении вперед. Вероятно, что более высокий чистый объемный расход в направлении вперед также является результатом уменьшения обратного потока. В дополнение к этому, капилляры в настоящем изобретении более просты по конструкции. В результате, структура является более устойчивой к колебаниям размеров капилляров, что означает, что структура является более устойчивой к колебаниям в смачивающей способности применяемых текучих сред (например, поверхностных натяжений и краевых углов смачивания). Структура также является более устойчивой к ошибкам изготовления.
Капилляры с настоящей структурой обычно проходят в плоскости x-y, как показано, например, на фиг. 2. Настоящая структура также содержит профиль по глубине в направлении z. В результате настоящая структура выполнена таким образом, чтобы улучшать эффективность в отношении направленного переноса жидкости против внешнего давления, например, давления, созданного силой тяжести.
Настоящая структура содержит ортогональный профиль по глубине, который выполнен таким образом, чтобы улучшать эффективность в отношении направленного переноса жидкости против внешнего давления, например, гравитационного давления, и устойчивость направленного переноса жидкости, например, к неточностям производства. Кроме того, этот профиль по глубине не только увеличивает способность структуры к остановке жидкости в направлении назад, но и уменьшает общую силу трения, а также увеличивает перепад давления, вызывающий капиллярный эффект, в более глубоких областях по сравнению с общим профилем узкого капиллярного канала, что приводит к общим, более высоким скоростям потока и, следовательно, позволяет увеличить объемный расход.
На фиг. 1 схематически проиллюстрирована одна примерная конструкция капилляра 20 с последовательными капиллярными ячейками 25. Капилляр 20 содержит одну или несколько капиллярных ячеек 25, расположенных линейно, при этом каждая капиллярная ячейка 25 находится в сообщении по текучей среде с предыдущей и последующей капиллярными ячейками 25. Два или более капилляров 20 могут быть расположены бок о бок для предоставления параллельных путей для текучей среды, как проиллюстрировано на фиг. 13. Капилляры 20, описанные в настоящем документе, могут быть открытыми, частично закрытыми или закрытыми в направлении z, которое является направлением, перпендикулярным плоскости x-y фигур.
Поток текучей среды через капилляры 20 проходит предпочтительно в направлении 40 вперед, также известен как направленный поток.
Как проиллюстрировано на фиг. 1 и как описано более подробно ниже, капиллярная ячейка 25 содержит по меньшей мере два элементарных типа капиллярных компонентов определенной формы и с конкретным профилем по глубине в ортогональном направлении или направлении z. Имеются умеренно расширяющийся капиллярный компонент (расширяющийся участок) и капиллярный компонент с быстрым переходом от широкой части к узкой в направлении 40 потока текучей среды. Умеренное расширение конического капилляра в расширяющемся участке сопровождается умеренным углублением капилляра, и в направлении глубины также имеется быстрый переход от широкой части к узкой на C в направлении 40 переноса текучей среды. Переходный участок содержит сужение в обоих пространственных направлениях перпендикулярно направлению переноса жидкости. Резкое сужение может быть реализовано в виде уклона или уступа, делающих капиллярный канал более узким.
Капиллярная ячейка 25 может также содержать капиллярный компонент связующего участка. Элементарные типы капиллярных компонентов расположены последовательно особым образом, и это особое последовательное расположение элементарных типов капиллярных компонентов приводит к пассивному направленному переносу текучей среды в направлении 40 вперед, даже против силы тяжести.
Структура в настоящем изобретении содержит по меньшей мере один капилляр 20 с любыми стыками или разветвлениями, которые обеспечивают соединение с другими капиллярами, или без них. Каждый капилляр 20 содержит потенциально повторяющуюся последовательность трех конкретных геометрических параметров, конструкция которых зависит от свойств текучей среды совместно со свойствами подложки. Геометрические параметры представляют собой необязательный связующий участок A, расширяющийся участок B и по меньшей мере одну точку перехода C. Изменение глубины вызывает изменение капиллярного давления, которое способно компенсировать определенное внешнее давление в системе; это внешнее давление может иметь различное происхождение и может быть создано, например, силой тяжести или гидростатическим давлением.
Вогнутая поверхность означает «вогнутая внутрь» или «с полостью», что означает, что объект согнут в определенной степени по направлению к его центру. В настоящем изобретении текучие среды с вогнутой поверхностью показаны на фиг. 2A и 2B. Фронты жидкости вогнутой формы, движущей силой которых выступают капиллярные силы, облегчают движение жидкости во всех направлениях, указанных на фиг. 2А и 2В. Как проиллюстрировано на фиг. 2C, фронт жидкости имеет вогнутую форму по отношению к центральной точке жидкости, и радиус кривизны r показан (воображаемой) окружностью, описанной через фронт капли. Применимо к случаю, проиллюстрированному на фиг. 2A, радиус кривизны проиллюстрирован на фиг. 2C. Радиус кривизны r представляет собой радиус воображаемой окружности, которая «вдавливает» каплю внутрь по обеим сторонам.
В отличие от этого, выпуклая поверхность означает «изогнутая дугой» или «изогнутая дугой наружу». В настоящем изобретении текучие среды с выпуклой поверхностью проиллюстрированы на фиг. 3. Радиус выпуклой поверхности с левой стороны препятствует потоку текучей среды в направлении назад. В этом случае воображаемая окружность начинается внутри капли жидкости, и радиус кривизны задан r1. Фронт жидкости вогнутой формы с правой стороны имеет радиус кривизны r2. Из-за асимметрии капиллярных стенок имеется два различных радиуса кривизны для одной капли жидкости, что приводит к асимметричной капиллярной движущей силе в отношении капли и обеспечивает направленный поток.
Радиус кривизны мениска может использоваться, чтобы определить, будет ли текучая среда течь в направлении вперед, или остановится ли текучая среда в направлении назад. Согласно простым указаниям вогнутая поверхность означает движение вперед, а выпуклая поверхность означает останов в направлении назад. Фронт жидкости описан двумя основными радиусами кривизны r и r*, которые перпендикулярны друг другу и которые могут быть оба вогнутыми, оба выпуклыми, или один вогнутым, а другой выпуклым. Если один радиус кривизны является выпуклым, а другой вогнутым, вогнутый мениск увеличит поток через капилляр, т.е. перепад давления, вызывающий капиллярный эффект Δp=γ(1/r+1/r*), тогда как выпуклый мениск уменьшит поток. Однако показатели, связанные с перепадом давления, вызывающим капиллярный эффект, и выпуклым и вогнутым радиусами кривизны должны быть определены первыми. В данном случае используется следующая система записи: Δp>0 для потока через капилляр, Δp<0 для остановки фронта жидкости, r>0 для вогнутого радиуса кривизны и r<0 для выпуклого радиуса кривизны соответственно. Если капиллярный канал открыт, радиус кривизны, связанный с глубиной капиллярного канала, всегда является выпуклым и как таковой уменьшает перепад давления, вызывающий капиллярный эффект. Чем глубже является капиллярный канал по сравнению с шириной, тем меньше радиус кривизны, связанный с глубиной капиллярного канала, влияет на общий перепад давления, вызывающий капиллярный эффект.
На горизонтальной поверхности, при условии раствора с постоянным поверхностным натяжением и постоянным объемом добавляемого раствора, образцы с изменяющейся глубиной могут останавливать текучую среду и блокировать поток в канале в направлении 45 назад, тогда как каналы с постоянной глубиной позволяют текучей среде протекать в направлении назад. Когда образцы удерживают под углом Ω к горизонтали, как, например, ориентация, показанная на фиг. 13, в том числе под углами, такими как Ω=45 и 90 градусов, только образцы с изменяющимися глубинами могут останавливать фронт текучей среды для блокировки потока в направлении 45 назад против внешнего давления, обусловленного силой тяжести, в то же время обеспечивая поток вертикально против силы тяжести.
Без подтверждения теорией считают, что эффект, описанный в данном документе, является следствием по меньшей мере частично изменения давления, созданного глубиной, в точке перехода. Это падение давления может компенсировать внешнее давление лучше, чем могут это сделать капилляры с постоянной глубиной.
Капилляры могут быть более узкими возле точки перехода C. В первом примере полученная в результате структура имеет обычную глубину приблизительно 0,7 мм за исключением области вокруг точки перехода C, где глубина составляет приблизительно 0,4 мм. Смежный с точкой перехода C опциональный связующий участок A имеет ширину 145 мкм и является более узким, чем конический капиллярный канал B с глубиной приблизительно 0,4 мм, в результате этого получают отношение глубины к ширине приблизительно 2,8, обозначая это отношение как отношение сторон капилляра. Следует отметить, что связующий участок A может быть прямым и параллельным оси x, как показано, или связующий участок A может быть изогнут, расположен под углом или иметь любую другую подходящую геометрию. Во втором примере капилляр увеличен в ширину в два раза по сравнению с первым примером, но не в глубину. В данном примере связующий участок A также является более узким с глубиной приблизительно 0,4 мм, в результате чего получают отношение сторон приблизительно 1,4. В обоих примерах расширяющиеся участки B расширяются от точки перехода C в направлении 40 вперед с наклоном при умеренных углах наклона 20° и 11° для первого и второго примеров соответственно. Тем не менее существует более резкое расширение в направлении 45 назад от точки перехода C с углами наклона вплоть до 70° и 79° для первого и второго примеров соответственно. В общем, некоторая часть или весь связующий участок A может быть более узким, чем расширяющийся участок B. Изменение в глубине эффективно обеспечивает остановку фронта жидкости в точке перехода C без участка точки перехода C, подвергнутого нежелательному потоку в нижней части и стенках капиллярного канала. Профиль по глубине конкретных аспектов проиллюстрирован на фиг. 4-12, при этом виды сверху и в разрезе совпадают. Капилляр 20 является наиболее узким в точке перехода C.
Испытание показало, что конструкция капиллярного канала без изменения глубины капиллярных каналов может остановить фронт жидкости в направлении назад при падении капли (также против силы тяжести в определенной степени). Капиллярные каналы с изменениями глубины возле точек перехода обеспечивают более сильный поток текучей среды, чем капиллярные каналы с равной глубиной. Капиллярные каналы с изменениями глубины возле точек перехода обеспечивают большую направленность переноса жидкости, особенно против внешнего давления, чем капиллярные каналы с равной глубиной.
Примеры
Пример: Связующий участок указан позицией А на фиг. 1 и показан схематически на фиг. 2A. Конструкция связующего участка А обеспечивает двунаправленный поток. Для иллюстрации примера геометрии связующей части А применяется следующий вывод для перепада давления, вызывающего капиллярный эффект, Δp, который описывается уравнением Юнга и Лапласа:
Δp =γ⋅((−1+cos(θ(x)+ β(x)))/h(x)+2cos(θ(x)+α(x))/w(x)).
1
2
1
2
В данном случае γ обозначает поверхностное натяжение жидкости относительно окружающего газа, h(x) — глубина капилляра (указанная как D и/или D на фиг. 6, 9 и 12), w(x) — ширина капилляра (указанная как W и/или W на фиг. 5, 8 и 11), α(x) и β(x) — углы наклона стенки связующего капилляра в направлении y ширины и направлении z глубины. В данном случае α(x)>0 и β(x)>0 описывают расширяющийся капилляр в направлении ширины и глубины соответственно. В данном случае θ представляет собой краевой угол смачивания жидкости относительно твердого тела.
eds
rds
В примере прямого связующего участка типа A с α, β=0 для прямого капиллярного канала равной глубины (Δp) и α=0, β (20° и 11° для небольших и больших конструкций) для прямого капилляра с уклоном (Δp)
rds
Δp=⋅((−1+cos(θ+β))/h(x)+2cosθ/w) и
eds
Δp=⋅((−1+cosθ)/h+2cosθ/w).
Необходимо осуществлять следующее уравнение для двунаправленного переноса жидкости в приводимых в качестве примера связующих капиллярах.
rds
eds
rds
rds
eds
eds
Δp=γ((−1+cos(θ+β))/h(x)+2cosθ/w)>0 или Δp=γ((−1+cosθ)/h+2cosθ/w)>0 соответственно. Эти формулы могут быть также выражены в виде условий для отношений сторон капиллярных каналов, которые должны быть осуществлены: a(x)=h(x)/w>(1-cos(θ+β))/(2cosθ)>0 в результате Δp>0 и a=h/w>(1-cosθ)/(2cosθ)>0 в результате Δp>0.
Соответственно, должны быть соблюдены вышеприведенные условия, и связующий участок A должен быть гидрофильным.
конический
Расширяющийся участок указан позицией B на фиг. 1 и показан схематически на фиг. 2B. В целом коническая конструкция расширяющегося участка B с малыми углами наклона α и β также обеспечивает двунаправленный поток. Следует отметить, что α и β не должны быть постоянными вдоль расширяющегося участка. Для иллюстрации примера геометрии расширяющегося участка В используется следующий вывод для перепада давления, вызывающего капиллярный эффект, Δp, который описывается уравнением Юнга и Лапласа:
конический
±
Δp,=⋅γ ((−1+cos(θ(x)±β(x)))/h(x)+2cos(θ(x)±α (x))/w(x)).
конический,+
конический,-
конический
конический
В данном случае Δp и Δp — перепады давления, вызывающие капиллярный эффект, в направлении вперед и в направлении назад соответственно. В данном случае γ обозначает поверхностное натяжение жидкости относительно окружающего газа, h(x) — глубина капилляра, w(x) — ширина конического капилляра и α(x) и β(x) — углы наклона стенки конического капилляра в направлении ширины и глубины соответственно. В данном случае θ представляет собой краевой угол смачивания жидкости относительно твердого тела.
конический
ed
±
конический
rd
±
Необходимо осуществить следующие уравнения для двунаправленного переноса жидкости в приведенном в качестве примера коническом капилляре с равной глубиной (Δp,,) и с наклонной глубиной капилляра (Δp,,)
конический
ed
±
Δp,,=⋅γ⋅((−1+cosθ)/h+2cos (θ±α)/w(x))>0 и
конический
rd
±
Δp,,=⋅γ⋅((−1+cos(θ±β(x)))/h(x)+2cos(θ±α)/w(x))>0.
конический
ed
±
конический
rd
±
Таким образом, 2cos(θ±α)/w(x)>-(−1+cosθ)/h или a,,(x)=h/w(x)>(1-cosθ)/ (2cos(θ±α))>0, чтобы первое выражение было больше 0, и 2cos(θ±α)/w(x)>-(−1+cos(θ±β(x)))/h(x) или a,,(x)=h(x)/w(x)>(−1+cos(θ±β(x))/(2cos(θ±α))>0, чтобы второе выражение было больше 0.
Кроме того, 2cos(θ+α) требует того, чтобы 0 градусов <θ+α<90 градусов для того, чтобы было положительным; cos(θ−α) требует 0 градусов <θ−α<90 градусов для того, чтобы было положительным. Подобным образом, cos(θ+β(x)) требует, чтобы 0 градусов <θ+β(x)<90 градусов для того, чтобы было положительным; cos(θ-β(x)) требует, чтобы 0 градусов<θ-β(x)<90 градусов для того, чтобы было положительным.
При переводе на радианы α<π/2–θ, α<θ, β(x)<π/2–θ и β(x)<θ должны быть верными, чтобы выражения были больше 0, если прежние предположения краевого угла смачивания 0 градусов <θ<90 градусов и углов наклона 0 градусов <α,β(x)< 90 градусов соблюдены. В изготовленных примерах β(x) является сегментарно постоянным и обозначен как β и β'.
Переходный участок указан позицией С на фиг. 1. Стык между в целом коническим расширяющимся участком B и переходным участком C приводит к резкому сужению в направлении вперед в направлениях y и z ширины (в примере с углом 90°) и глубины с образованием одной точки 50 перехода, что приводит к возникновению направленного потока в направлении 40 вперед. Возле точки перехода типа C связующий участок A является узким по сравнению с расширяющимся участком B. В одной примерной конструкции капилляра глубина связующего участка A прямо перед точкой 50 перехода составляет приблизительно 400 микрон, и глубина конического капилляра прямо перед точкой 50 перехода составляет приблизительно 700 микрон. Такая конструкция с разницей в глубине капилляра связующего участка возле точки 50 перехода и более глубокого конического капиллярного канала предотвращает обратный поток в направлении 45 назад даже против внешнего давления, такого как давление в результате силы тяжести.
Другими словами, переход фронта текучей среды из состояния, характеризующегося вогнутой формой, в состояние, характеризующееся выпуклой формой, в переходной точке 50 на переходном участке С останавливает перенос текучей среды в направлении 45 назад. Давление, вызывающее капиллярный эффект, может компенсировать определенное гидростатическое давление, прикладываемое силой тяжести к массе осадка жидкости в капилляре. Это означает, что односторонний поток жидкости есть даже против силы тяжести для определенной высоты подъема капилляра, при этом точки перехода действуют как точки остановки переноса жидкости в направлении 45 назад даже против силы тяжести для определенного объема жидкости.
ed
rd
Без ограничения теорией следующие анализы могут способствовать прояснению описания и служат примером геометрии капилляров. В случае приведенных в качестве примера геометрий капиллярных каналов с одинаковой и наклонной глубинами в ортогональном направлении расстояния L и L, которые мениск может проходить против силы тяжести в структуре в направлении вперед, при этом останавливаясь в направлении назад, могут быть определены посредством следующих аналитических формул для капиллярных каналов одинаковой и наклонной глубин:
ed
f
b
ρgLsinΩ=γ⋅((−1+cosθ)/h+2cos(θ+α)/w(x))-γ⋅((−1+cosθ)/h-2sinθ/w(x)) в случае остановки жидкости в конической капиллярной части (или прямой капиллярной части при α=0) капиллярного канала с постоянной глубиной и
rd
f
f
f
b
b
f
b
ρgLsinΩ=γ⋅((−1+cos(θ+β(x)))/h(x)+2cos(θ+α)/w(x))-γ⋅((−1+cos(θ+β'))/h(x)-2sinθ/w(x)) в случае остановки жидкости в конической капиллярной части (или прямой капиллярной части при α=0) капиллярного канала с наклонной глубиной. В данном случае x и x являются положениями менисков жидкости в направлении вперед в приведенных в качестве примера конических капиллярных каналах (или в прямом связующем капиллярном канале при α=0) и в направлении назад в точке перехода соответственно.
ed
rd
ed
ed
rd
rd
ed
rd
В данном случае ρ, g и Ω являются плотностью жидкости, постоянной силы тяжести и углом наклона, при этом предполагается постоянное расширение капиллярного канала с углом 90°. Стоит обратить внимание, что расстояния прохождения L и L могут быть связаны с применяемыми объемами жидкости путем вычисления объемных производительностей V(L) и V(L) по сравнению с расстояниями проникновения L и L треугольных рядов с одинаковой и наклонной глубинами соответственно.
В различных примерах образцы моделировали с применением материала на основе тиолена с отклонениями от стехиометрии (OSTE) посредством процесса перенесения рельефа давлением. Образцы OSTE были изготовлены с использованием инструментов, выполненных в виде конструкций с микроструктурой, в виде алюминиевых пластин. Несколько рядов каждой конструкции капилляра повторяли в секции материала OSTE с размерами и компоновкой капилляров, как показано на фиг. 4—12. На фиг. 10—12 проиллюстрирована конструкция образца для образцов с постоянной глубиной, тогда как на фиг. 4—9 проиллюстрирована конструкция образца для образцов с изменяющейся глубиной. Водный раствор (0,1% по весу) поверхностно-активного вещества Pluronic F-38 от BASF и жидкой красной краски (Ponceau S, 0,25% по весу) применяли в качестве испытуемой жидкости. Было обнаружено, что данная испытуемая жидкость имеет постоянное поверхностное натяжение 52±4 дин/см и плотность приблизительно 1 г/мл при стандартных лабораторных условиях. Данная испытуемая жидкость имела краевой угол смачивания на конкретном образце OSTE, который составлял 65°±3° (n=20). Исследуемые образцы содержали различное количество каналов и содержали разные общие объемы каналов, при этом в центр каждого образца была добавлена капля определенного размера общего объема канала. Данный этап «добавления жидкости» повторяли при том, что образцы OSTE находились в горизонтальных, наклонных в 45° и вертикальных на 90° конфигурациях. Анализ видеоданных показал, что во всех случаях образцы с изменяющейся глубиной переносили текучую среду в направлении вперед, при этом останавливая фронты жидкости в противоположном направлении. Во всех случаях образцы с каналами постоянной глубины переносили текучую среду в обоих направлениях, вперед и назад. Образцы с постоянной глубиной демонстрировала предпочтительный поток текучей среды в направлении вперед, но после заполнения каналов до передних концов, при этом текучая среда также протекала в направлении назад. Во всех случаях испытываемое расстояние составляло приблизительно 8 мм и 16 мм в обоих направлениях для небольших демонстрационных образцов и для больших демонстрационных образцов соответственно.
В различных аспектах настоящего изобретения на фиг. 4—6 проиллюстрирована конкретная компоновка капиллярных ячеек с изменяющейся глубиной. Другими словами, глубина капиллярных ячеек изменяется в направлении 40 прямого потока. Конструкция, показанная на фиг. 4—6, была изготовлена как в больших, так и в небольших размерах, с размерами и углами, как приведено ниже (размеры приведены в микронах и приведены только абсолютные значения углов):
В других аспектах настоящего изобретения на фиг. 7—9 проиллюстрирована конкретная компоновка капиллярных ячеек с изменяющейся глубиной. Другими словами, глубина капиллярных ячеек изменяется в направлении 40 прямого потока. Конструкция, показанная на фиг. 7—9, была изготовлена как в больших, так и в небольших размерах, с размерами и углами, как приведено ниже (размеры приведены в микронах и приведены только абсолютные значения углов):
В еще одних аспектах настоящего изобретения на фиг. 10—12 проиллюстрирована конкретная компоновка капиллярных ячеек с плоскими нижними частями. Другими словами, капиллярные ячейки имеют постоянную глубину. Конструкция, показанная на фиг. 10—12, была изготовлена как в больших, так и в небольших размерах, с размерами и углами, как приведено ниже (размеры приведены в микронах и приведены только абсолютные значения углов):
Альтернативный способ описания потока текучей среды заключается в выравнивании образцов с координатной плоскостью, где «ноль» находится в центре размещения капли текучей среды, тогда как направление вперед представлено положительным расстоянием, и направление назад представлено отрицательным расстоянием. С учетом периода времени экспериментов (общее время наблюдения, как правило, от 1/2 мин до 5 мин) каналы с изменяющейся глубиной приводили к чистому положительному расстоянию переноса текучей среды, тогда как образцы с постоянной глубиной демонстрировали чистое нулевое расстояние из-за двунаправленности потока текучей среды.
В первом конкретном аспекте капиллярная структура для пассивного направленного переноса текучей среды содержит капилляр с направлением вперед и направлением назад, проходящими в плоскости x-y, и глубиной, проходящей в направлении z, при этом капилляр содержит первую и вторую капиллярные ячейки, каждая из которых имеет расширяющийся участок с задним концом, передним концом и шириной в направлении y, при этом ширина увеличивается от заднего конца к переднему концу, при этом задний конец расширяющегося участка второй капиллярной ячейки соединен с передним концом расширяющегося участка первой капиллярной ячейки с образованием переходного участка с резким уменьшением по ширине от переднего конца расширяющегося участка первой капиллярной ячейки к заднему концу расширяющегося участка второй капиллярной ячейки, и при этом глубина в переходном участке меньше глубины в каждом расширяющемся участке.
Второй конкретный аспект включает первый конкретный аспект, при этом увеличение ширины от заднего конца к переднему концу в каждом расширяющемся участке является линейным.
Третий конкретный аспект включает первый и/или второй аспект, дополнительно предусматривая связующий участок, расположенный между передним концом расширяющегося участка первой капиллярной ячейки и задним концом расширяющегося участка второй капиллярной ячейки, при этом связующий участок находится в сообщении по текучей среде с каждым расширяющимся участком.
Четвертый конкретный аспект включает один или более из аспектов 1—3, при этом глубина в переходном участке меньше глубины в связующем участке или равна ей.
Пятый конкретный аспект включает один или более из аспектов 1—4, при этом капилляр по меньшей мере частично открыт в направлении z.
Шестой конкретный аспект включает один или более из аспектов 1—5, при этом каждый расширяющийся участок выполнен с возможностью создания вогнутого мениска в направлении вперед, и при этом переходный участок создает в направлении назад выпуклый мениск жидкости или прямой мениск жидкости с бесконечным радиусом кривизны.
Седьмой конкретный аспект включает один или более из аспектов 1—6, дополнительно предусматривая множество капилляров, расположенных параллельно друг другу.
Восьмой конкретный аспект включает один или более из аспектов 1—7, при этом каждый капилляр не имеет связи с другим капилляром.
Девятый конкретный аспект включает один или более из аспектов 1—8, при этом капилляр является гидрофильным или липофильным.
Десятый конкретный аспект включает один или более из аспектов 1—9, при этом переходный участок останавливает перенос текучей среды в направлении назад.
Одиннадцатый конкретный аспект включает один или более из аспектов 1—10, при этом переходный участок останавливает перенос текучей среды в направлении назад против гравитационного или гидростатического давления.
Двенадцатый конкретный аспект включает один или более из аспектов 1—11, при этом глубина выполнена со ступенчатым изменением от расширяющегося участка к переходному участку.
Тринадцатый конкретный аспект включает один или более из аспектов 1—12, при этом глубина выполнена с наклонным изменением от расширяющегося участка к переходному участку.
В четырнадцатом конкретном аспекте предусмотрена подложка для направленного переноса текучей среды с краевым углом смачивания θ, при этом подложка содержит капиллярную структуру для пассивного направленного переноса текучей среды, при этом капиллярная структура содержит множество капилляров, каждый из которых имеет направление вперед и направление назад, проходящие в плоскости x-y, и глубину, проходящую в направлении z, при этом каждый капилляр содержит первую и вторую капиллярные ячейки, каждая из которых имеет расширяющийся участок с задним концом, передним концом и шириной в направлении y, при этом ширина увеличивается от заднего конца к переднему концу, при этом задний конец каждого расширяющегося участка второй капиллярной ячейки соединен с передним концом соответствующего расширяющегося участка первой капиллярной ячейки с образованием переходного участка с резким уменьшением по ширине от переднего конца расширяющегося участка первой капиллярной ячейки к заднему концу расширяющегося участка второй капиллярной ячейки, и при этом глубина в переходном участке меньше глубины в каждом расширяющемся участке.
Пятнадцатый конкретный аспект включает четырнадцатый конкретный аспект, дополнительно предусматривая в каждом капилляре связующий участок, расположенный между передним концом расширяющегося участка первой капиллярной ячейки и задним концом расширяющегося участка второй капиллярной ячейки, при этом связующий участок находится в сообщении по текучей среде с каждым расширяющимся участком.
Шестнадцатый конкретный аспект включает четырнадцатый и/или пятнадцатый аспект, при этом глубина в переходном участке меньше глубины в связующем участке или равна ей.
связующий
В семнадцатом конкретном аспекте капиллярная структура для пассивного направленного переноса текучей среды с краевым углом смачивания θ относительно капиллярной структуры содержит структуру, содержащую капилляр с направлением вперед и направлением назад, проходящими в плоскости x-y, и глубиной, проходящей в направлении z, при этом капилляр содержит первую и вторую капиллярные ячейки, каждая из которых имеет расширяющийся участок с задним концом, передним концом и шириной в направлении y, при этом ширина увеличивается линейно от заднего конца к переднему концу, связующий участок, расположенный между передним концом расширяющегося участка первой капиллярной ячейки и задним концом расширяющегося участка второй капиллярной ячейки, при этом связующий участок находится в сообщении по текучей среде с каждым расширяющимся участком, при этом задний конец каждого расширяющегося участка второй капиллярной ячейки соединен со связующим участком, при этом передний конец соответствующего расширяющегося участка первой капиллярной ячейки соединен со связующим участком с образованием переходного участка с резким уменьшением по ширине от переднего конца расширяющегося участка первой капиллярной ячейки к связующему участку, и при этом глубина в переходном участке меньше глубины в каждом расширяющемся участке, и при этом связующий участок с профилем по ширине w(x) изменяется в глубину с угловым профилем β(x) и имеет отношение сторон α(x)=h(x)/w(x)>(1-cos(θ+β))/(2cosθ)>0, при этом расширяющийся участок расширяется от связующего участка под углом α таким образом, что α<π/2–θ и α<θ, и при этом переходный участок имеет глубину, которая меньше глубины в расширяющемся участке.
Восемнадцатый конкретный аспект включает семнадцатый конкретный аспект, при этом связующий участок увеличивается по глубине в направлении вперед при угловом профиле β(x)≥ 0.
Девятнадцатый конкретный аспект включает семнадцатый и/или восемнадцатый аспект, при этом связующий участок увеличивается по глубине в направлении вперед с постоянным углом β≥0.
Двадцатый конкретный аспект включает один или более из аспектов 17—19, при этом переходный участок останавливает перенос текучей среды в направлении назад против гидростатического или гравитационного давления.
Эти и другие модификации и изменения настоящего изобретения могут быть осуществлены на практике специалистами в данной области техники без отклонения от идеи и объема настоящего изобретения, более конкретно изложенных в прилагаемой формуле изобретения. Кроме того, следует понимать, что аспекты различных аспектов настоящего изобретения могут являться полностью или частично взаимозаменяемыми. Кроме того, специалистам в данной области техники будет понятно, что вышеизложенное описание приведено только в качестве примера и не предназначено для ограничения изобретения, описанного далее в указанной формуле изобретения.