3D打印界面活性粒子，利用马兰戈尼效应可实现自驱动

2024年12月9日，南极熊获悉，荷兰阿姆斯特丹大学的物理学家开发出了一种3D 打印粒子。这种粒子在获得适当燃料的情况下，能够利用马兰戈尼效应能够自行在流体表面推进。

研究小组在arXiv线上发布了一篇题为“3D-Printed Marangoni-Driven Active Particles at an Interface”的论文。

相关论文链接：https://arxiv.org/abs/2411.16011

图1：马兰戈尼驱动粒子的设计理念、制造工艺和推进机制：a) 颗粒的概念设计横截面。b) 3D设计、G-code切片和3D打印最终设计的过程。c) 颗粒释放荧光标记的燃料并在表面自推进。d) 单出口50%乙醇驱动颗粒的轨迹。颜色表示颗粒的瞬时速度。e) 与面板d相同，但颜色表示瞬时角速度的大小。f) 单出口颗粒轨迹（n = 3），使用10%、15%、20%、30%和50%乙醇燃料浓度。g) 燃料类型之间的表面张力关系。h) 不同乙醇浓度下的速度分布。i) 不同乙醇浓度下的角速度分布。（图片来源：arXiv）

马兰戈尼效应的具体表现

马兰戈尼效应是指表面张力低于周围流体的液滴在流体表面扩散而不是混合。一个常见的例子是酒精在水面上扩散直至蒸发。利用这一现象，研究人员设计了能够通过释放酒精作为燃料自我推进的粒子。

这些粒子被 3D 打印成空心冰球状，直径约为 1 厘米。空心设计使它们具有浮力，每个粒子都包含一个内部“燃料箱”，里面装满了酒精。当粒子被放在水中时，一个小针孔可让酒精逐渐逸出，从而产生连续的扩散运动，推动粒子向前移动。

图2：水面上的颗粒相互作用。a) 疏水颗粒在表面相互吸引，而活跃颗粒则避免并可能排斥其他颗粒。同时，疏水壁面排斥颗粒。b) 两个颗粒通过变形界面连接的侧视图（Cheerios效应）。c) 多次测试中两个颗粒之间的距离，最初位于不同位置。d) 颗粒相互作用的演示。顶部颗粒附着在一个柔性悬臂上，而底部颗粒则固定在位置上，使用刚性（黑色）悬臂。最初，当非运动颗粒足够接近时，它们会相互附着。当通过注入燃料激活顶部颗粒时，颗粒通过水动力作用相互排斥。最终，当运动能力减弱且燃料耗尽时，Cheerios力再次占主导地位，颗粒相互吸引（见补充视频3）。e) Marangoni流动和排斥的开始可视化。底部颗粒未供能并固定在其位置上，而顶部颗粒附着在悬臂上，使用含有0.1%荧光素染料的30%乙醇-水混合物供能。

实验结果

实验表明，酒精浓度越高，粒子的运动速度越快，速度可达每秒 6 厘米。研究人员还发现，粒子在耗尽燃料之前最多可以移动 500 秒。研究人员还测试了较大的粒子，多个粒子之间的相互作用产生了“Cheerio 效应”，即单个粒子相互吸引并一起移动——就像牛奶中的谷物团块一样。

图3：多体主动Cheerios系统的动态。顶部和底部部分分别表示两个或多个颗粒的实验。a) 30%乙醇供能颗粒在t=16秒时的工作寿命示例，在t=29秒时接近容纳边界，以及在t=42秒时的组装状态。b) 10%、15%、20%、30%和50%乙醇浓度燃料的最终组装时间。c) 在组装前后，绘制10%乙醇燃料电动机的分离距离（ds）随时间变化的运动。d) 在组装前后，绘制30%乙醇燃料电动机的分离距离随时间变化的运动。e) 三个主动颗粒在一个限制环内（比率6:1），在容纳处周围移动，并聚集成连接的轨道（见补充视频5）。f) 11颗粒系统的运动和聚集，使用特殊双出口设计，初始完全紧凑配置，释放、运动，并最终组装成多颗粒组。

潜在应用

研究人员表示，他们的 3D 打印自推进粒子可以启发环境和工业应用领域的新解决方案。例如：

• 环境清理：这些颗粒可能有助于收集或去除液体表面的污染物。

• 化学包覆：颗粒可以将化学物质均匀分散在流体表面，为传统的混合方法提供了一种替代方法。

图4：用于工程推进方向的多颗粒构建。a) 带有荧光燃料的单出口设计。b) 不同乙醇浓度下单出口颗粒的平均速度。c) 带有荧光燃料的手性颗粒。d) 不同乙醇浓度下手性颗粒的角速度。e) 模块化构建的示意图。f) 不同模块化颗粒组合的阵列，用于（i）线性运动，（ii）曲线运动，（iii）轴向旋转，以及（iv）非轴向旋转。

通过增材制造进行创新

这项研究凸显了 3D 打印在创建复杂、功能性设计方面的多功能性，这些设计可以与环境动态交互。通过将增材制造与基本物理原理相结合，研究团队为从环境科学到工业加工等领域的新应用打开了大门。