Капиллярное действие втягивает воду и другие жидкости в замкнутые пространства, такие как трубки, соломинки, фитили и бумажные полотенца, а скорость потока можно предсказать с помощью простого гидродинамического анализа. Но случайное наблюдение исследователей из Технологического института Джорджии приведет к пересчету этих прогнозов для условий, в которых гидрогелевые пленки выстилают трубки с жидкостями на водной основе.
«Вместо того, чтобы двигаться в соответствии с общепринятыми ожиданиями, жидкости на водной основе скользят в новое место в трубе, застревают, а затем снова скользят — и этот процесс повторяется снова и снова», — объяснил Андрей Федоров, профессор института Джорджа В. Школа машиностроения Вудраффа в Технологическом институте Джорджии. «Вместо того, чтобы заполнять трубку со скоростью проникновения жидкости, которая замедляется со временем, вода распространяется с почти постоянной скоростью в капилляр, покрытый гидрогелем. Это сильно отличалось от того, что мы ожидали."
Результаты были получены в результате исследования, спонсируемого Управлением научных исследований ВВС США (AFOSR) через центр BIONIC в Технологическом институте Джорджии, и были опубликованы в начале этого месяца в журнале Soft Matter.
Когда отверстие тонкой стеклянной трубки подвергается воздействию капли воды, жидкость начинает течь в трубку, притягиваемую сочетанием поверхностного натяжения жидкости и адгезии между жидкостью и стенками трубки. Впереди мениск, изогнутая поверхность воды у передней кромки водяного столба. Обычная трубка из боросиликатного стекла заполняется капиллярами с постепенно уменьшающейся скоростью, при этом скорость распространения мениска уменьшается как квадратный корень из времени.
Но когда внутренняя часть трубки покрывается очень тонким слоем поли (N-изопропилакриламида), так называемого «умного» полимера (ПНИПАМ), все меняется. Вода, попадающая в трубку, покрытую изнутри сухой пленкой гидрогеля, должна сначала смочить пленку и дать ей разбухнуть, прежде чем она сможет проникнуть дальше в трубку. Смачивание и набухание происходят не непрерывно, а дискретными шагами, на которых водный мениск сначала слипается, и его движение остается остановленным, в то время как полимерный слой локально деформируется. Затем мениск быстро скользит на небольшое расстояние, прежде чем процесс повторяется.
Этот процесс "прерывистого скольжения" заставляет воду поступать в трубку пошаговым движением.
Скорость потока, измеренная исследователями в трубке с покрытием, на три порядка меньше скорости потока в трубке без покрытия. Линейное уравнение описывает зависимость процесса заполнения от времени вместо классического квадратного уравнения, описывающего заполнение трубки без покрытия.
«Вместо того, чтобы заполнять капилляр за сотую долю секунды, на заполнение того же капилляра могут уйти десятки секунд», — сказал Федоров. «Несмотря на то, что гидрогель набухает при контакте с водой, изменение диаметра трубки незначительно из-за небольшой толщины слоя гидрогеля. Вот почему мы были так удивлены, когда впервые наблюдали такое резкое замедление процесса подачи в наших экспериментах."
Исследователи, среди которых были аспиранты Джеймс Сильва, Дрю Лони и Рен Герьяк, а также старший инженер-исследователь Питер Коттке, снова попробовали эксперимент, используя глицерин, жидкость, которая не абсорбируется гидрогелем.
В случае глицерина капиллярное действие протекало через покрытую гидрогелем микропробирку, как и в случае пробирки без покрытия, что согласуется с традиционной теорией. После использования оптической визуализации с высоким разрешением для изучения распространения мениска при набухании полимера исследователи поняли, что могут найти хорошее применение этому ранее неизвестному поведению.
Поглощение воды гидрогелями происходит только тогда, когда материалы остаются ниже определенной температуры перехода. При нагревании выше этой температуры материалы больше не поглощают воду, что устраняет явление "прерывистого скольжения" в микропробирках и позволяет им вести себя как обычные пробирки.
Эта способность включать и отключать прерывистое скольжение в зависимости от температуры может предоставить новый способ управления потоком жидкости на водной основе в микрофлюидных устройствах, включая лаборатории на кристалле. Температуру перехода можно контролировать, варьируя химический состав гидрогеля.
«Локально нагревая или охлаждая полимер внутри микрожидкостной камеры, вы можете либо ускорить процесс заполнения, либо замедлить его», — сказал Федоров. "Время, необходимое для прохождения жидкости на одно и то же расстояние, может варьироваться до трех порядков. Это позволит точно контролировать поток жидкости по требованию, используя внешние стимулы для изменения поведения полимерной пленки."
Нагрев или охлаждение можно осуществлять локально с помощью лазеров, миниатюрных нагревателей или термоэлектрических устройств, размещенных в определенных местах микрожидкостных устройств.
Это может обеспечить точное время реакций в микрофлюидных устройствах, контролируя скорость доставки реагентов и удаления продукта, или позволить протекать последовательности быстрых и медленных реакций. Другим важным приложением может быть контролируемое высвобождение лекарства, при котором желаемая скорость доставки молекул может динамически регулироваться с течением времени для достижения оптимального терапевтического результата.
В будущей работе Федоров и его команда надеются узнать больше о физике капилляров, модифицированных гидрогелем, и изучить капиллярный поток с помощью частично прозрачных микропробирок.
Они также хотят изучить другие «умные» полимеры, которые изменяют скорость потока в ответ на различные стимулы, включая изменение pH жидкости, воздействие электромагнитного излучения или возникновение механического напряжения — все это может изменить свойства особый гидрогель, разработанный, чтобы реагировать на эти триггеры.
«Эти экспериментальные и теоретические результаты обеспечивают новую концептуальную основу для движения жидкости, ограниченного мягкими, динамически развивающимися границами раздела полимеров, в которых система создает энергетический барьер для дальнейшего движения за счет упруго-капиллярной деформации, а затем снижает барьер за счет диффузионного размягчения», — говорится в сообщении. авторы статьи написали. "Это понимание имеет значение для оптимальной конструкции микрофлюидных устройств и устройств" лаборатория на кристалле "на основе умных полимеров, реагирующих на раздражители."