Физики заставили каплю ползти по горизонтальной поверхности

Ученые из Физического института имени Лебедева (ФИАН) создали в своей лаборатории картину, похожую на сцену из фильма "Терминатор-2": в их эксперименте 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 о результатах эксперимента 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, ведущий научный сотрудник и заведующий лабораторией лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН.

Технология перекачки воды с помощью энергии поверхностного натяжения давно изобретена в живой природе. Техасская рогатая ящерица (Phrynosoma cornutum), живущая в пустынях Северной Америки, научилась собирать и перемещать воду, которая конденсируется по ночам на ее теле. Сеть открытых капиллярных каналов, образованных чешуйками, заставляет воду перетекать прямо к ее рту, и этот эффект описывали германские и австрийские ученые.

Чтобы воспроизвести его эффект в лаборатории, Кудряшов и его коллеги решили попробовать создать на поверхности градиент поверхностной энергии (натяжения) — то есть сделать так, чтобы степень гидрофобности постепенно снижалась вдоль поверхности от точки к точке в заданном направлении. К сожалению, это нельзя сделать просто уменьшая толщину слоя гидрофобного покрытия на гидрофильном. Сила поверхностного натяжения очень короткодействующая, чтобы «выключить» гидрофильность металла, на него достаточно нанести слой пластика толщиной в одну-две молекулы

«Можно попробовать сделать это химическим способом, то есть создав участки с химически разным покрытием с разной гидрофобностью, но эта поверхность будет очень капризной, потому что любая пыль, любое органическое загрязнение сразу меняет показатель гидрофобности, и такую поверхность трудно отмыть, чтобы восстановить ее нужный уровень», — объясняет Кудряшов.

Поэтому ученые ФИАНа решили воспользоваться 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. Иначе говоря, 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.

Для эксперимента ученые покрыли стальные пластины размером пять на пять сантиметров миллиметровым гидрофобным полимерным покрытием на основе силоксана. Затем при помощи лазера наносекундными импульсами они прорезали слой покрытия до металла, создавая ряды канавок длиной пять миллиметров и шириной около 100 микрон.

Затем повторной обработкой лазером ученые модифицировали их, расширив их в разной степени. Так на стальной пластинке появились четыре участка с разными показателями гидрофобности - углом контакта смачивания, то есть углом между поверхностью и условно касательной к поверхности капли воды на ней. На гидрофобной поверхности капля воды растекается меньше, поэтому угол смачивания будет больше. На гидрофильной, наоборот, угол будет меньше, так как капля растекается больше. Угол смачивания на четырех участках варьировался от 46 до 13 градусов.

Затем ученые капали водой на разные участки и наблюдали за ее движением.

Капля воды объемом пять микролитров в эксперименте самопроизвольно перемещалась от гидрофобных участков к гидрофильным. Быстрее всего капля двигалась между первым и вторым участками - в этом месте ее скорость достигала 92 миллиметров в секунду.

«Мы сделали такой “горизонтальный водопад”, где жидкость двигается не за счет силы тяжести, а за счет энергии поверхностного натяжения. На гидрофобным участках энергия поверхностного натяжения выше, на гидрофильных меньше и эта разность потенциалов превращается в кинетическую энергию движения», — говорит Кудряшов.

По его словам, такой «водопад» может быть достаточно длинным — несколько десятков сантиметров. «Главное, чтобы граница между участками с разными углами смачивания была не слишком заметной, чтобы вязкое трение не остановило каплю», — объясняет он.

Ученые отмечают, что такие микроструктурированные поверхности могут найти широкое применение в разработке микрофлюидных устройств — бурно развивающейся области, которая уже дала десятки компактных устройств для исследования химического состава воздуха и воды, диагностических медицинских тестов.

Кудряшов подчеркивает, что в эксперименте использовались широко распространенные лазеры. «Это очень доступная технология. Лазер очень простой, с помощью таких делается маркировка, подписываются металлические таблички. Это очень простые и доступные системы, не требуют особых знаний для обслуживания. Поэтому, если при их помощи получится делать микрофлюидные чипы, это будет очень выгодно».