Kredit:Shutterstock
Forskare från University of Sydney Nano Institute och School of Chemistry har avslöjat att små gasbubblor - nanobubblor bara 100 miljarddels meter höga - bildas på ytor i oväntade situationer, vilket ger ett nytt sätt att minska motståndet i småskaliga enheter.
Vätskemotstånd i mikroenheter kan leda till inre nedsmutsning (ansamling av oönskat biologiskt material) eller skada biologiska prover såsom celler på grund av högt tryck. Så upptäckten kan bana väg för utvecklingen av bättre medicinska diagnostiska verktyg, som lab-on-a-chip-enheter som utför DNA-analys eller används för biomedicinsk upptäckt av sjukdomspatogener.
Teamet, ledd av professor Chiara Neto, utvecklade nanokonstruerade rynkiga beläggningar som minskar motståndet med upp till 38 procent jämfört med nominellt "släta" fasta ytor. De hala beläggningarna, när de väl har infunderats med ett smörjmedel, är också mycket resistenta mot biofouling.
Med hjälp av atomkraftsmikroskopi – ett mycket högupplöst skanningsmikroskop – upptäckte teamet att vätskorna som passerade genom mikrostrukturerade kanaler med dessa ytor kunde glida igenom med lägre friktion på grund av den spontana bildningen av nanobubblor, ett fenomen som aldrig tidigare beskrivits .
Resultaten publiceras denna vecka i Nature Communications .
Potentiell medicinsk tillämpning
Många medicinska diagnostiska verktyg förlitar sig på småskalig analys av små mängder biologiska och andra material i flytande form. Dessa "mikrofluidiska enheter" använder mikrokanaler och mikroreaktorer där reaktioner som vanligtvis utförs i stor skala i ett kemi- eller patologilabb utförs i miniatyriserad skala.
Att analysera mycket mindre volymer material möjliggör snabbare och effektivare diagnostik. Problemet med mikrofluidiska enheter är dock att vätskeflödet dras ned av vätskans friktion med kanalernas fasta väggar, vilket skapar ett stort hydrodynamiskt motstånd. För att övervinna detta, applicerar enheterna höga tryck för att driva flödet.
I sin tur är det höga trycket inuti dessa enheter inte bara ineffektivt utan kan också skada ömtåliga prover i enheten, såsom celler och andra mjuka material. Vidare blir de fasta väggarna lätt nedsmutsade av biologiska molekyler eller bakterier, vilket leder till snabb nedbrytning genom bioförorening.
En lösning på båda dessa problem är att använda ytor där porer i nanoskala fångar upp små mängder av ett smörjmedel, vilket bildar en hala vätskegränsyta, vilket minskar det hydrodynamiska motståndet och förhindrar biopåväxt på ytan.
I själva verket ersätter vätskeinfunderade ytor den fasta väggen med en vätskevägg, vilket tillåter flödet av en andra vätska med lägre friktion, vilket kräver lägre tryck. Mekanismen genom vilken dessa vätskeinfunderade ytor fungerar har dock inte förståtts, eftersom minskningen av friktionen som dessa ytor erbjuder har rapporterats vara 50 gånger större än vad som skulle förväntas baserat på teori.
Nanobubblor till undsättning?
Professor Neto och hennes team har beskrivit hur de bildade vätskeinfunderade väggar på sina mikrofluidiska enheter, genom att utveckla nanokonstruerade skrynkliga beläggningar som minskar motståndet med upp till 38 procent jämfört med solida väggar. I teamet ingår:Ph.D. student Chris Vega-Sánchez, vars arbete under de senaste tre åren fokuserat på mikrofluidik; Dr Sam Peppou-Chapman, expert på vätskeinfunderade ytor; och Dr. Liwen Zhu, expert på atomkraftsmikroskopi, som ger forskare förmågan att se ner till en miljarddels meter.
Genom att utföra mikroflödesmätningar avslöjade teamet att de nya hala ytorna minskade motståndet i förhållande till fasta ytor till en grad som bara kunde förväntas om ytan var infunderad med luft snarare än ett trögflytande smörjmedel. Teamet var inte nöjda med den framgångsrika luftmotståndsminskningen och arbetade för att demonstrera mekanismen genom vilken ytorna framkallade glidning.
De gjorde detta genom att skanna ytorna under vattnet med hjälp av atomkraftsmikroskopi, vilket gjorde det möjligt för dem att avbilda den spontana bildningen av nanobubblor, bara 100 nanometer högt på ytan. Deras närvaro förklarar kvantitativt den enorma glidning som observerats i mikrofluidflödet.
En del av mikroskopiarbetet gjordes med hjälp av faciliteterna vid Australian Center for Microscopy &Microanalysis vid University of Sydney.
Professor Neto sa:"Vi vill förstå den grundläggande mekanismen med vilken dessa ytor fungerar och tänja på gränserna för deras tillämpning, särskilt för energieffektivitet. Nu när vi vet varför dessa ytor är hala och minskar motståndet, kan vi designa dem specifikt för att minimera energin som krävs för att driva flöde i begränsade geometrier och minska nedsmutsning." + Utforska vidare
