Уникальные микротрубки способны перекачивать капли воды как насос

Новый «насос-микротрубка» способен под действием искусственного или естественного дневного света перемещать капли воды на значительные расстояния. По сообщениям китайских исследователей, опубликованным в журнале Angewandte Chemie, насос представляет собой трубку, свойства которой можно изменять асимметрично с помощью светового облучения. Это приводит к возникновению капиллярной силы, которая в сочетании с силой поверхностного натяжения жидкости, смачивающей внутренние стенки трубки, приводит к необычайно быстрому перемещению капель воды.

В современных методах молекулярного анализа и диагностики используются небольшие объёмы жидкости. Микрогидродинамическая технология среди прочего применялась в синтетических процессах, при которых реакции проходят в микроканалах и в малоразмерных приборах. Для высокоточного перемещения столь малых объёмов жидкости с места на место китайские учёные из пекинских университетов Цинхуа и Бэйхан разработали «насос-микротрубку».

Насос представляет собой полимерную трубку диаметром около 500 мкм. Она состоит из двух слоёв. Наружный слой, полидиметилсилоксан (PDMS), исследователи смешали с восстановленным оксидом графена (rGO), наноматериалом на основе углерода, который особенно хорошо поглощает солнечный свет. Под воздействием света накапливается тепло, которое передаётся внутреннему слою стенки трубки, выполненной из полимера (Н-изопропилакриламида), при комнатной температуре превращающегося в гидрогель. Цепочки этого полимера связаны в молекулярную сеть, набухающую по мере впитывания воды. При температуре выше 32 градусов Цельсия гидрогель сжимается в компактные сферы, придающие гидрофобные свойства внутренним стенкам, при этом внутренний слой стягивается, в результате чего расширяется просвет канала трубки.

Облучение трубки только с одного конца приводит к разнице коэффициента смачиваемости на противоположных концах внутренней стенки. Вдобавок геометрия трубки теряет симметричность, так как просвет канала расширяется только на облучаемом конце. Капиллярные силы приводят в движение капли воды, заставляя их перемещаться в направлении не облучаемого конца, имеющего меньший диаметр.

Пониженная смачиваемость на внутренней стенке со стороны облучаемого конца ведёт к дальнейшему ускорению перемещения капель воды. Совместное действие этих двух механизмов приводит к высокой скорости движения, которую можно контролировать, изменяя интенсивность облучения. При прекращении облучения трубка остывает очень быстро. Гидрогель возвращается в исходное состояние и готов к повторному облучению.

Гибкость материала позволяет производить из него многометровые прямые или изогнутые трубки, способные непрерывно перекачивать воду на большие расстояния. Также можно создавать разветвлённые системы, которые могут облучаться одновременно или последовательно в разных точках. Например, это даст возможность раздельного перемещения в определённом порядке отдельных капель, содержащих разные реагенты, и их совмещения, что может применяться в диагностических тестах или в тех случаях, когда капли воды выполняют роль микроскопических химических реакторов.

Источник