Новости

Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН

Ученые из Физического института имени Лебедева поставили эксперимент, в котором капли жидкости самопроизвольно перетекали с места на место по поверхности с микроструктурами, «вырезанными» на них с помощью лазера. Такие поверхности могут использоваться в микрофлюидных биочипах и медицинских экспресс-тестах, которые легко умещаются в кармане. Статья опубликована в журнале Applied Surface Science.

«Обычно капля, упавшая на ровную поверхность, остается на месте. Мы заставили ее двигаться — за счет градиента сил поверхностного натяжения. С помощью лазера мы создали на поверхности микроструктуры с нарастанием ее гидрофильности (смачиваемости), и капли двигаются по ним в сторону, где гидрофильность максимальна. Такой “горизонтальный насос”, например, позволит разделять жидкости с разным коэффициентом поверхностного натяжения, упростить биочипы и микрофлюидные устройства», — говорит соавтор исследования Сергей Кудряшов.

Подобная технология встречается в природе. Например, техасская рогатая ящерица умеет собирать и перемещать воду, которая конденсируется по ночам на ее теле. Сеть открытых капиллярных каналов, образованных чешуйками, заставляет воду перетекать прямо ко рту ящерицы.

Ученые попытались воспроизвести этот эффект, создав на поверхности градиент поверхностной энергии — сделав так, чтобы степень гидрофобности постепенно снижалась вдоль поверхности в заданном направлении. Однако это нельзя сделать, просто уменьшая толщину слоя гидрофобного покрытия. Сила поверхностного натяжения очень короткодействующая, и, чтобы «выключить» гидрофильность металла, на него достаточно нанести слой пластика толщиной в одну-две молекулы. Ученые воспользовались тем, что у капли жидкости довольно большая площадь, и она «усредняет» показатель гидрофобности на участках с гидрофобным пластиком и с гидрофильным металлом, где пластик удален лазером. Капля не сможет отличить поверхность с одним показателем гидрофобности в каждой точке от «шахматной доски» той же площади с разными показателями в каждой клеточке, если среднее значение будет одинаковым.

В экспериментах ученые покрывали стальные пластины размером пять на пять сантиметров миллиметровым гидрофобным полимерным покрытием на основе силоксана. Затем с помощью лазера наносекундными импульсами они прорезали слой покрытия до металла, создавая ряды канавок длиной 5 мм и шириной около 100 микрон. С помощью повторной лазерной обработки ученые расширили их. Так на стальной пластинке появились четыре участка с разными показателями гидрофобности — углом между поверхностью и условно касательной к поверхности капли воды на ней.

В экспериментах капля воды самопроизвольно перемещалась от гидрофобных участков к гидрофильным. По словам ученых, длина такого «водопада» может достигать десятков сантиметров. Подобные микроструктурированные поверхности могут найти применение при разработке микрофлюидных устройств.

https://inscience.news/ru/article/russian-science/9006