Self-propelled droplet driven by Marangoni flow and its applications

Abstract

We developed a new class of self-propelled droplet, which is made of water/ethanol dispersed in squalane/monoolein. During the propulsion, a spontaneous phase separation of the droplet occurs due to the release of ethanol and the uptake of monoolein. This phase separation can lead to the formation of a Janus droplet consisting of a water-rich phase and an ethanol-rich phase. The droplet moves as a pusher, which is determined by µPIV, before the phase separation and as a neutral squirmer after it. The time before phase separation can be quantified by a model. Additionally the quantitative analysis of the driving mechanisms before and after the phase separation are presented. Depending on salt concentration, added DNA or RNA can be controlled to accumulate either in the water-rich or in the ethanol-rich phase as a 'cargo'. This 'cargo' can be selectively delivered to a target controlled by hydrodynamic interaction and wettability. The same water/ethanol droplet in an ethanol-saturated squalane shows chemotaxic attraction. In this system, the droplet uptakes ethanol from squalane and droplets are attracted to each other supposably driven by this ethanol gradient, which is created by themselves. Large numbers of droplets can form patterns with different shapes, which is controlled by number density and vertical confinement.

Wir haben eine neue Klasse von selbst-angetriebenen Tropfen entwickelt, die aus Wasser / Ethanol bestehen und in Squalan / Monoolein dispergiert sind. Während der Bewegung kommt es zu einer spontanen Phasentrennung des Tropfens aufgrund der Abgabe von Ethanol und der Aufnahme von Monoolein. Diese Phasentrennung kann zur Ausbildung eines Janus-Tropfens führen, der aus einer wasserreichen Phase und einer ethanolreichen Phase besteht. Der Tropfen bewegt sich vor der Phasentrennung als 'Pusher', der durch µPIV bestimmt wird, und danach als neutraler 'Squirmer'. Die Zeit vor der Phasentrennung kann durch ein Modell quantifiziert. Zusätzlich wird die quantitative Analyse der Antriebsmechanismen vor und nach der Phasentrennung vorgestellt. Abhängig von der Salzkonzentration kann die zugesetzte DNA oder RNA so gesteuert werden, dass sie sich entweder in der wasserreichen oder in der ethanolreichen Phase als "Ladung" ansammelt. Diese 'Ladung' kann selektiv an ein Ziel geliefert werden und durch hydrodynamische Wechselwirkung und Benetzbarkeit gesteuert werden. Der gleiche Wasser/Ethanol Tropfen in ethanolgesättigten Squalan zeigt eine chemotaktische Anziehungskraft. In diesem System nehmen die Tropfen Ethanol aus Squalan auf und die Tropfen werden vermutlich durch diesen Ethanolgradienten, der von ihnen selbst erzeugt wird, voneinander angezogen. Die Ansammlung vieler Tropfen können Muster bilden. Das Muster wird von der Tropfendichte und der vertikalen Ausdehnung kontrolliert.