Nanobobler giver vej til at bygge bedre medicinsk udstyr

Forskere fra University of Sydney Nano Institute og School of Chemistry har afsløret, at små gasbobler - nanobobler kun 100 milliardtedele meter høje - dannes på overflader i uventede situationer, hvilket giver en ny måde at reducere modstanden i små enheder.

Væskemodstand i mikroenheder kan føre til intern tilsmudsning (ophobning af uønskede biologiske materialer) eller beskadige biologiske prøver såsom celler på grund af højt tryk. Så opdagelsen kan bane vejen for udviklingen af ​​bedre medicinske diagnostiske værktøjer, såsom laboratorie-på-en-chip-enheder, der udfører DNA-analyse eller bruges til biomedicinsk påvisning af sygdomspatogener.

Holdet, ledet af professor Chiara Neto, udviklede nanokonstruerede rynkede belægninger, der reducerer modstanden med op til 38 procent sammenlignet med nominelt "glatte" faste overflader. De glatte belægninger, når de først er infunderet med et smøremiddel, er også meget modstandsdygtige over for biobegroning.

Ved at bruge atomkraftmikroskopi - et scanningsmikroskop med meget høj opløsning - opdagede holdet, at væskerne, der passerede gennem mikrostrukturerede kanaler med disse overflader, var i stand til at slippe igennem med lavere friktion på grund af den spontane dannelse af nanobobler, et fænomen, der aldrig før er beskrevet .

Resultaterne offentliggøres i denne uge i Nature Communications .

Potentiel medicinsk anvendelse

Mange medicinske diagnostiske værktøjer er afhængige af småskalaanalyse af små mængder biologiske og andre materialer i flydende form. Disse "mikrofluidiske enheder" bruger mikrokanaler og mikroreaktorer, hvor reaktioner, der normalt udføres i stor skala i et kemi- eller patologilaboratorium, udføres i miniaturiseret skala.

At analysere meget mindre mængder materiale muliggør hurtigere og mere effektiv diagnostik. Problemet med mikrofluidiske enheder er imidlertid, at væskestrømmen bliver dramatisk bremset af væskens friktion med kanalernes faste vægge, hvilket skaber et stort hydrodynamisk træk. For at overvinde dette, anvender enhederne høje tryk for at drive flowet.

Til gengæld er det høje tryk inde i disse enheder ikke kun ineffektivt, men kan også beskadige sarte prøver i enheden, såsom celler og andre bløde materialer. Desuden bliver de faste vægge let tilsmudsede af biologiske molekyler eller bakterier, hvilket fører til hurtig nedbrydning gennem biobegroning.

En løsning på begge disse problemer er ved at bruge overflader, hvor porer i nanoskala fanger små mængder af et smøremiddel og danner en glat væskegrænseflade, som reducerer hydrodynamisk modstand og forhindrer biobegroning af overfladen.

Faktisk erstatter væskeinfunderede overflader den faste væg med en væskevæg, hvilket tillader strømmen af ​​en anden væske med lavere friktion, hvilket kræver lavere tryk. Imidlertid er mekanismen, hvormed disse væskeinfunderede overflader virker, ikke blevet forstået, da reduktionen af ​​friktion, som disse overflader tilbyder, er blevet rapporteret at være 50 gange større, end man ville forvente baseret på teori.

Nanobobler til undsætning?

Professor Neto og hendes team har beskrevet, hvordan de dannede væske-infunderede vægge på deres mikrofluidiske enheder ved at udvikle nanokonstruerede rynkede belægninger, der reducerer modstanden med op til 38 procent sammenlignet med solide vægge. Holdet omfatter:Ph.D. studerende Chris Vega-Sánchez, hvis arbejde i de seneste tre år fokuserede på mikrofluidik; Dr. Sam Peppou-Chapman, ekspert i væskeinfunderede overflader; og Dr. Liwen Zhu, en ekspert i atomkraftmikroskopi, som giver forskere evnen til at se ned til en milliardtedel af en meter.

Ved at udføre mikrofluidiske målinger afslørede holdet, at de nye glatte overflader reducerede modstand i forhold til faste overflader i en grad, som kun ville forventes, hvis overfladen var infunderet med luft i stedet for et tyktflydende smøremiddel. Teamet var ikke tilfredse med den vellykkede modstandsreduktion og arbejdede på at demonstrere den mekanisme, hvorved overfladerne fremkaldte glidning.

Det gjorde de ved at scanne overfladerne under vandet ved hjælp af atomkraftmikroskopi, så de kunne afbilde den spontane dannelse af nanobobler, kun 100 nanometer højt på overfladen. Deres tilstedeværelse forklarer kvantitativt den enorme glidning, der observeres i mikrofluidisk strømning.

En del af mikroskopiarbejdet blev udført ved hjælp af faciliteterne i Australian Center for Microscopy &Microanalysis ved University of Sydney.

Professor Neto sagde:"Vi ønsker at forstå den grundlæggende mekanisme, hvormed disse overflader fungerer, og at skubbe grænserne for deres anvendelse, især for energieffektivitet. Nu hvor vi ved, hvorfor disse overflader er glatte og træk-reducerende, kan vi designe dem specifikt for at minimere den energi, der kræves for at drive flow i begrænsede geometrier og reducere tilsmudsning." + Udforsk yderligere

Væske-infunderet glat overflade yder bedre end superhydrofob overflade i langsigtet korrosionsbestandighed