利用光响应表面活性剂在微重力下动态操控多相流体
流体动力学
2025-03-17 v1 化学物理
摘要
控制气泡运动对于提高电化学、传热和生物医学系统中的效率及创造新功能至关重要。光响应表面活性剂通过产生表面张力梯度，在光照下诱导光-马兰戈尼流来操控气泡，利用分子构象的可逆切换，而无需任何工程化基底。尽管先前的研究已经证明了使用光响应表面活性剂进行气泡操控，但对于流体行为如何受关键参数（如气泡大小、光照、光切换动力学、浓度以及吸附解吸动力学）影响，仍缺乏全面理解。由于所涉及的复杂多物理过程，以及地面实验无法在不受气泡浮力和光热对流干扰的情况下研究气泡光-马兰戈尼动力学，相关进展受到了限制。通过在微重力环境下进行实验，我们阐明了实现快速光-马兰戈尼驱动气泡运动的因素，该实验由定制的光表面活性剂实现，并辅以详细的建模框架。我们确定了迁移的最佳气泡尺寸，因为更小和更大的气泡分别会产生较弱的光-马兰戈尼应力和更大的阻力。在光照下快速切换的表面活性剂能驱动快速迁移，前提是其反向切换（在黑暗中）要慢得多，但不可忽略。这些基础结果使得合成下一代光表面活性剂及跨多相流体系统的光-马兰戈尼操控成为可能。
引用
@article{arxiv.2503.11533,
title = {Dynamic Manipulation of Multiphase Fluid in Microgravity Using Photoresponsive Surfactant},
author = {Xichen Liang and Kseniia M. Karnaukh and Qixuan Cao and Marielle Cooper and Hao Xu and Ian Maskiewicz and Olivia Wander and Javier Read de Alaniz and Yangying Zhu and Paolo Luzzatto-Fegiz},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.11533},
year = {2025}
}