 Покрытие внутренностей стеклянных микропробирок полимерным гидрогелем резко изменяет способ, которым капиллярные силы черпают воду в крошечных структурах, по обнаружению исследователей. Это открытие может предоставить новый способ управления микрожидкостными системами, в том числе популярными «лабораториями на чипе».
Капиллярное действие привлекает воду и другие жидкости в закрытых пространствах, таких как трубы, соломки, фитилей и бумажные полотенца, и скорость потока может быть предсказана с помощью простого гидродинамического анализ. Но наблюдение исследователей в Технологическом институте Джорджии привело к перерасчету этих предсказаний для условий, в которых гидрогелевые пленки выравнивают трубы, несущие жидкости на водной основе.
Вместо того, чтобы двигаться в соответствии с обычными ожиданиями, жидкости на водной основе жидкостей проскальзывают на новое место в трубе, застревают и проскальзывают снова - и процесс повторяется заново. Вместо того, чтобы заполнять трубу со скоростью проникновения жидкости, которое замедляется со временем, вода распространяется на почти постоянной скоростью в капилляре с гидрогельным покрытием.
Когда отверстие тонкой стеклянной трубки подвергается каплей воды, жидкость начинает течь в трубу посредство комбинации поверхностного натяжения в жидкости и адгезии между жидкостью и стенками трубки. Обычный боросиликатного стеклянная трубка заполняется под действием капиллярных сил с постепенно уменьшающейся скоростью.
Но когда внутренности трубки покрыты очень тонким слоем полимера (N-изопропилакриламида), или так называемого «умного» полимера, все меняется. Вода, попавшая в трубку, покрытую изнутри сухой гидрогельной пленкой должны сначала смачивать пленку и позволить ее набухать, прежде чем она сможет дальше пройти в трубу. Смачивание и набухание проходить не непрерывно, но с дискретными шагами, в котором движение воды остается задержанными в то время как полимерный слой локально искажается. Мениск затем быстро скользит на короткое расстояние, прежде чем процесс повторяется. Этот процесс «прилипания-скольжения» заставляет воду двигаться в трубе шаг за шагом.
Скорость потока, измеряемая исследователями в трубки с покрытием, на три порядка меньше, чем скорость потока в трубе без покрытия. Линейное уравнение описывает зависимость от времени процесса наполнения вместо классического квадратного уравнения, который описывает заполнение трубы без покрытия.
Вместо того, чтобы заполнять капилляр в сотую долю секунды, может потребоваться от нескольких десятков секунд, чтобы заполнить тот же капилляр. Хотя есть некоторый отек гидрогеля при контакте с водой, изменением диаметра трубки можно пренебречь из-за малой толщины слой гидрогеля. Вот почему исследователи были так удивлены, когда они впервые наблюдали такое резкое замедление процесса заполнения в их экспериментах.
Исследователи попробовали эксперимент еще раз, используя глицерин - жидкость, которая не поглощается гидрогелем. С глицерином, капиллярное действие продолжалось через покрытую гидрогелем микропробирку, как и непокрытую трубуй в согласии с традиционной теорией. После использования визуализации высокого разрешения для изучения распространения мениска, при набухании полимера, ученые поняли, что они могли бы поставить этому неизвестному ранее поведению хорошее применение.
Водопоглощение гидрогелями происходит только тогда, когда материалы остаются ниже определенной температуры перехода. При нагревании выше этой температуры, материалы больше не поглощают воду, устраняя явление «залипания» микропробирках и позволяя им вести себя как обычные трубы.
Эта способность включать и включать поведение залипания с помощью температуры может обеспечить новый способ управления потоком воды на основе жидкости в микрофлюидных устройствах, в том числе лабораторий на чипе. Температуру перехода можно регулировать путем изменения химического состава гидрогеля.
Посредством локального нагрева или охлаждения полимера внутри микрофлюидной камеры, можно ускорить процесс заполнения или замедлить его. Время, необходимое для жидкости, чтобы пройти то же расстояние может изменяться до трех порядков. Это позволит точно контролировать поток жидкости по требованию с помощью внешних стимулов, чтобы изменить поведение полимерной пленки.
Нагрев или охлаждение могут быть осуществлены локально с помощью лазеров, крошечных нагревателей, или термоэлектрических устройств, размещенных в определенных местах в микрофлюидных устройствах.
Это может позволить точно контролировать реакции в микрожидкостных устройствах, контролируя скорость доставки реагента и удаления продукта, или разрешения последовательности быстрых и медленных реакций.
В будущей работе, исследователи надеются больше узнать о физике гидрогеля и изучить капиллярные потоки с помощью частично прозрачных микротрубок. Они также хотят исследовать другие «умные» полимеры, которые изменяют скорость потока в ответ на различные стимулы, в том числе изменение рН жидкости, воздействие электромагнитного излучения, или индукция механических напряжений – каждый из которых может изменить свойства определенного гидрогеля, разработанного для реагирования на эти триггеры.
Эти экспериментальные и теоретические результаты дают новую концептуальную основу для движения жидкости, ограниченной мягкими, динамично развивающимися полимерными интерфейсами, в которых система создает энергетический барьер для дальнейшего движения через упруго-капиллярную деформацию, а затем снижает барьер через диффузионное размягчение. Это понимание имеет значение для оптимального проектирования микрофлюидных устройств, основанных на умных полимерах.
|
