Нановоздушные пузырьки открывают путь к созданию лучших медицинских устройств

Исследователи из Наноинститута и Школы химии Сиднейского университета обнаружили, что крошечные газовые пузырьки — нанопузырьки высотой всего 100 миллиардных долей метра — спонтанно образуются на поверхностях в неожиданных ситуациях. Это открытие предоставляет новый способ снижения гидродинамического сопротивления в устройствах микро- и наномасштаба.

Жидкостное сопротивление внутри микроустройств может приводить к внутреннему обрастанию (накоплению нежелательных биологических материалов) или повреждать биологические образцы, такие как клетки, из-за высокого давления. Открытие может проложить путь к разработке более совершенных медицинских диагностических инструментов, например, лабораторий-на-чипе для анализа ДНК или биомедицинского обнаружения патогенов.

Команда под руководством профессора Кьяры Нето разработала наноинженерные морщинистые покрытия, которые снижают сопротивление до 38% по сравнению с номинально «гладкими» твердыми поверхностями. Эти скользкие покрытия, после пропитки смазкой, также обладают высокой устойчивостью к биообрастанию.

Используя атомно-силовую микроскопию, команда обнаружила, что жидкости, проходящие через микроструктурированные каналы с такими поверхностями, движутся с меньшим трением благодаря спонтанному образованию нанопузырьков — явлению, ранее не описанному.

Результаты опубликованы на этой неделе в журнале Nature Communications.

Потенциальное медицинское применение

Многие медицинские диагностические инструменты полагаются на анализ малых количеств биологических и других материалов в жидкой форме. Эти «микрофлюидные устройства» используют микроканалы и микрореакторы, в которых реакции, обычно проводимые в химической или патологической лаборатории в большом масштабе, осуществляются в миниатюризированном виде.

Анализ меньших объемов материала позволяет проводить более быструю и эффективную диагностику. Однако проблема микрофлюидных устройств заключается в том, что поток жидкости резко замедляется из-за трения жидкости о твердые стенки каналов, создавая большое гидродинамическое сопротивление. Чтобы преодолеть это, устройства применяют высокое давление для создания потока.

В свою очередь, высокое давление внутри таких устройств не только неэффективно, но также может повредить хрупкие образцы, такие как клетки и другие мягкие материалы. Кроме того, твердые стенки легко загрязняются биологическими молекулами или бактериями, что приводит к быстрой деградации из-за биообрастания.

Решение обеих проблем — использование поверхностей, в которых нанопоры удерживают небольшое количество смазки, образуя скользкий жидкий интерфейс. Это снижает гидродинамическое сопротивление и предотвращает биообрастание поверхности.

По сути, поверхности, пропитанные жидкостью, заменяют твердую стенку на жидкую, позволяя второму типу жидкости течь с меньшим трением и требую меньшего давления. Однако механизм работы таких поверхностей не был понятен, поскольку сообщаемое снижение трения оказывалось в 50 раз больше, чем можно было ожидать на основе теории.

Спасительные нанопузырьки?

Профессор Нето и её команда описали, как они создавали жидкие стенки в своих микрофлюидных устройствах, разработав наноинженерные морщинистые покрытия, снижающие сопротивление до 38% по сравнению с твердыми стенками.

Проводя микрофлюидные измерения, команда выявила, что новые скользкие поверхности снижают сопротивление относительно твердых поверхностей до степени, которую можно было бы ожидать только в случае, если поверхность была пропитана воздухом, а не вязкой смазкой.

Чтобы продемонстрировать механизм, они просканировали поверхности под водой с помощью атомно-силового микроскопа. Это позволило визуализировать спонтанное образование нанопузырьков высотой всего 100 нанометров на поверхности. Их наличие количественно объясняет огромное снижение сопротивления, наблюдаемое в микрофлюидном потоке.

Профессор Нето заявила: «Мы хотим понять фундаментальный механизм работы этих поверхностей и расширить границы их применения, особенно для повышения энергоэффективности. Теперь, когда мы знаем, почему эти поверхности скользкие и снижают сопротивление, мы можем целенаправленно проектировать их для минимизации энергии, требуемой для создания потока в ограниченных геометриях, и уменьшения обрастания».