Исследователи из Института нанотехнологий и Школы химии Сиднейского университета обнаружили, что крошечные пузырьки газа — нанопузырьки высотой всего в 100 миллиардных долей метра — образуются на поверхностях в неожиданных ситуациях, обеспечивая новый способ снижения сопротивления в небольших устройствах.
Затекание жидкости внутри микроустройств может привести к внутреннему загрязнению (накоплению нежелательных биологических материалов) или повреждению биологических образцов, таких как клетки, из-за высокого давления. Таким образом, открытие может проложить путь к разработке более совершенных медицинских диагностических инструментов, таких как устройства «лаборатория на чипе», которые проводят анализ ДНК или используются для биомедицинского обнаружения возбудителей болезней.
Команда под руководством профессора Кьяры Нето разработала наноинженерные морщинистые покрытия, которые снижают сопротивление до 38 процентов по сравнению с номинально «гладкими» твердыми поверхностями . Скользкие покрытия, пропитанные смазкой, также обладают высокой устойчивостью к биообрастанию.
С помощью атомно-силовой микроскопии — сканирующего микроскопа с очень высоким разрешением — команда обнаружила, что жидкости, проходящие через микроструктурированные каналы с этими поверхностями, могут проскальзывать с меньшим трением из-за спонтанного образования нанопузырьков, феномена, ранее не описанного. .
Результаты опубликованы на этой неделе в Nature Communications .
Возможное медицинское применение
Многие медицинские диагностические инструменты основаны на мелкомасштабном анализе крошечных количеств биологических и других материалов в жидкой форме . Эти «микрожидкостные устройства» используют микроканалы и микрореакторы, в которых реакции, обычно проводимые в больших масштабах в лаборатории химии или патологии, проводятся в миниатюрном масштабе.
Анализ гораздо меньших объемов материала позволяет проводить более быструю и эффективную диагностику. Однако проблема с микрожидкостными устройствами заключается в том, что поток жидкости резко замедляется за счет трения жидкости о твердые стенки каналов, создавая большое гидродинамическое сопротивление. Чтобы преодолеть это, устройства применяют высокое давление для управления потоком.
В свою очередь, высокое давление внутри этих устройств не только неэффективно, но и может повредить хрупкие образцы в устройстве, такие как клетки и другие мягкие материалы. Кроме того, твердые стенки легко загрязняются биологическими молекулами или бактериями, что приводит к быстрой деградации из-за биологического обрастания.
Решением обеих этих проблем является использование поверхностей, в которых наноразмерные поры улавливают небольшие количества смазки, образуя скользкую поверхность раздела с жидкостью, что снижает гидродинамическое сопротивление и предотвращает биообрастание поверхности .
По сути, наполненные жидкостью поверхности заменяют твердую стенку жидкой стенкой, позволяя течь второй жидкости с меньшим трением, требующей более низкого давления. Однако механизм, по которому работают эти пропитанные жидкостью поверхности, не был понят, поскольку сообщалось, что снижение трения, которое обеспечивают эти поверхности, в 50 раз больше, чем можно было бы ожидать на основе теории.
Нанопузырьки спешат на помощь?
Профессор Нето и ее команда описали, как они формировали пропитанные жидкостью стенки своих микрожидкостных устройств, разрабатывая наноинженерные морщинистые покрытия, которые снижают сопротивление до 38 процентов по сравнению с твердыми стенками. В состав команды входят: к.т.н. студент Крис Вега-Санчес, чья работа за последние три года была сосредоточена на микрофлюидике; Доктор Сэм Пеппу-Чапман, эксперт по пропитанным жидкостью поверхностям; и доктор Ливэнь Чжу, эксперт в области атомно-силовой микроскопии, которая дает ученым возможность видеть с точностью до миллиардной доли метра.
Проведя микрожидкостные измерения, команда обнаружила, что новые скользкие поверхности уменьшают сопротивление по сравнению с твердыми поверхностями до такой степени, которую можно было бы ожидать, только если бы поверхность была заполнена воздухом, а не вязкой смазкой. Не удовлетворенная успешным снижением лобового сопротивления, команда работала над демонстрацией механизма, с помощью которого поверхности вызывали скольжение.
Они сделали это, сканируя поверхности под водой с помощью атомно-силовой микроскопии, что позволило им визуализировать спонтанное образование нанопузырьков высотой всего 100 нанометров на поверхности. Их присутствие количественно объясняет огромное скольжение, наблюдаемое в микрофлюидном потоке.
Часть работы по микроскопии была выполнена с использованием оборудования Австралийского центра микроскопии и микроанализа Сиднейского университета.
Профессор Нето сказал: «Мы хотим понять фундаментальный механизм, по которому работают эти поверхности, и расширить границы их применения, особенно для повышения энергоэффективности. Теперь, когда мы знаем, почему эти поверхности скользкие и уменьшают сопротивление, мы можем разработать их специально. чтобы свести к минимуму энергию, необходимую для управления потоком в ограниченной геометрии, и уменьшить загрязнение».
