Колебания плавучести реагирующих капель, индуцированные микро-пузырьковым лифтом

Автономные колебания капель представляют большой интерес и служат мощным вдохновением для разработки активной мягкой материи; однако они часто ограничены зависимостью от внешних градиентов и медленным переносом. В настоящей работе мы демонстрируем механизм пропульсии, управляемый ограниченными межфазными реакциями: водородным микро-пузырьковым лифтом. Показано, что выделение водорода внутри капли жидкого органического носителя водорода (LOHC) и последующее отщепление пузырька модулируют эффективную плотность капли, вызывая периодические циклы подъема и опускания в стратифицированной жидкости. Эти капли достигают пиковых скоростей до 25 мм/с на траекториях длиной до 2,5 см — на три порядка быстрее типичного подпрыгивания, вызванного эффектом Марнгони — и сохраняют устойчивое колебательное движение до 25 минут. Период и амплитуда колебаний программируются кинетикой реакции; движение сохраняется до тех пор, пока отношение размеров пузырька и капли не превысит критический порог. С помощью модели баланса сил мы количественно объясняем экспериментальные результаты и взаимосвязь между скоростями образования газа и гидродинамическими силами. Системы активной мягкой материи, преобразующие свободную энергию в механическую работу, сталкиваются с трудностями при поддержании движения из‑за зависимости от внешних градиентов и медленных механизмов переноса. Настоящее исследование представляет механизм пропульсии с использованием водородных микро-пузырьковых лифтов внутри реагирующих капель жидкого органического носителя водорода, обеспечивающий быстрые и программируемые колебания плавучести и значительно увеличивающий дальность и продолжительность автономного движения капель по сравнению с традиционными методами.