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Menthyl acetate powered self-propelled Janus sponge Marangoni motors with self-maintaining surface tension gradients and active mixing

马朗戈尼效应 表面张力 杰纳斯 马兰戈尼数 混合(物理) 化学 水溶液 悬浮 材料科学 化学工程 纳米技术 热力学 有机化学 物理 量子力学 磁铁 工程类
作者
Richard J. Archer,Stephen J. Ebbens,Yujin Kubodera,Muneyuki Matsuo,Shin‐ichiro M. Nomura
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:678: 11-19
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.08.213
摘要

Small scale Marangoni motors, which self-generate motion by inducing surface tension gradients on water interfaces through release of surface-active "fuels", have recently been proposed as self-powered mixing devices for low volume fluids. Such devices however, often show self-limiting lifespans due to the rapid saturation of surface-active agents. A potential solution to this is the use volatile surface-active agents which do not persist in their environment. Here we investigate menthyl acetate (MA) as a safe, inexpensive and non-persistent fuel for Marangoni motors. MA was loaded asymmetrically into millimeter scale silicone sponges. Menthyl acetate reacts slowly with water to produce the volatile surface-active menthol, which induces surface tension gradients across the sponge to drive motion by the Marangoni effect. Videos were taken and trajectories determined by custom software. Mixing was assessed by the ability of Marangoni motors to homogenize milliliter scale aqueous solutions containing colloidal sediments. Marangoni motors, loaded with asymmetric "Janus" distributions of menthyl acetate show velocities and rotational speeds up to 30 mm s−1 and 500 RPM respectively, with their functional lifetimes scaling linearly with fuel volume. We show these devices are capable of enhanced mixing of solutions at orders of magnitude greater rates than diffusion alone.

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