Микрофлюидика - развивающееся междисциплинарное направление исследований, которое позволяет делать очень многое - от аналогового компьютера, устойчивого к электромагнитному импульсу ядерного взрыва, до совершенных полифункциональных биосенсорных чипов, lab-on-chip и биосовместимых поверхностей медицинских имплантантов. Ее развитие в последнее время все чаще связывают и с развитием нанотехнологий. Ниже приведена одна из фундаментальных работ, которая обещает новые громкие достижения в этой уникальной области...
Гидрофобизация твёрдой поверхности снижает сопротивление течению жидкостей вблизи неё благодаря гидрофобному скольжению. К сожалению, этот эффект проявляется только в наномасштабе и не может существенно повлиять на потоки в устройствах для микрофлюидики. Куда более эффективное уменьшение вязкого сопротивления, проявляющееся и в микромасштабе, может быть достигнуто при использовании супергидрофобных поверхностей. Это связано с тем, что такая поверхность содержит захваченные микро- или нанотекстурой (узором) газовые участки, вдоль которых жидкость течёт практически без трения (гигантское скольжение). Однако супергидрофобная поверхность гетерогенна, включая в себя твёрдые гидрофобные участки с малым скольжением, и, в общем случае, анизотропна. Поэтому расчёт и оптимизация эффективного скольжения по супергидрофобной текстуре представляет собой чрезвычайно сложную математическую задачу. В результате до сегодняшнего дня проблема была решена только для отдельных простейших случаев, что ограничивало теоретические рекомендации по рациональному дизайну супергидрофобных текстур и их использование в микро- и нанофлюидике.
Интернациональным коллективом исследователей в составе Франсуа Фёйбуа (Парижская высшая индустриальная школа физики и химии, Франция), Мартина Базанта (Университет Стэнфорда и Массачусеттский технологический институт, США) и Ольги Виноградовой (Институт физической химии и электрохимии им. А.Н.Фрумкина РАН, Россия) было предложено общее решение задачи об эффективном скольжении по супергидрофобным стенкам, которое позволило описать и оптимизировать течение в тонком канале для микрофлюидики. Вместо точного анализа течения жидкости вблизи гетерогенных участков авторы предложили рассчитать эффективную проницаемость системы с использованием методов современной теории гетерогенных сред и затем искать решение для эффективной длины скольжения в форме математических границ.
Среди всех возможных супергидрофобных текстур, анизотропная упорядоченная ламеллярная («страйпы») обеспечивает максимально допустимое (или минимальное) скольжение в случае параллельной (или перпендикулярной) ориентации относительно градиента приложенного давления. Для изотропных текстур авторы предсказали более узкую «вилку» для эффективного скольжения. Интересно, что граница максимального скольжения для изотропных стенок супергидрофобных каналов соответствует точным решениям для известных в других областях физики гетерогенных структур: фракталу Хашина-Штрикмана и периодической сотовой (что, в частности, предлагает использование графена). Замечательным результатом работы является то, что для некоторых каналов «вилка» разрешённых значений эффективного скольжения оказывается настолько узкой, что метод математических границ позволяет найти практически точное решение задачи, избегая сложных гидродинамических расчётов. Помимо этого, авторы показали, что, управляя параметрами поверхностной текстуры тонкого канала, можно достигнуть состояния «сверхтекучести» водных растворов, так как из-за гигантского эффективного скольжения течение в канале становится плоским («plug-flow»), а вязкое трение практически полностью отсутствует.
Эти и другие изложенные в статье результаты открывают широкие возможности для рационального дизайна супергидрофобных поверхностей для микро- и нанофлюидики.
Работа «Effective slip over superhydrophobic surfaces in thin channels»опубликована в Phys. Rev. Letters. Авторы, тем временем, не намерены останавливаться на достигнутом. Они говорят о возможности дальнейшего усиления эффекта супергидрофобного скольжения при электрокинетическом течении вблизи супергидрофобных стенок, а также об использовании предложенного подхода для оптимизации поперечных течений, что позволит создать хаотические миксеры и сепараторы на основе «интеллегентных» супергидрофобных каналов.
Prof. Dr. Olga I. Vinogradova, Director, Laboratory of Physical Chemistry of Modified Surfaces A.N.Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry Russian Academy of Sciences, Leninsky Prospect 31, 119991
 |
|
|
|
).