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I ricercatori dell'Università di Sydney Nano Institute e School of Chemistry hanno rivelato che minuscole bolle di gas - nanobolle alte appena 100 miliardesimi di metro - si formano sulle superfici in situazioni inaspettate, fornendo un nuovo modo per ridurre la resistenza nei dispositivi su piccola scala.
Il trascinamento del liquido all'interno dei microdispositivi può causare incrostazioni interne (accumulo di materiali biologici indesiderati) o danneggiare campioni biologici come le cellule, a causa dell'elevata pressione. Quindi, la scoperta potrebbe aprire la strada allo sviluppo di migliori strumenti diagnostici medici, come dispositivi lab-on-a-chip che effettuano l'analisi del DNA o vengono utilizzati per il rilevamento biomedico di agenti patogeni di malattie.
Il team, guidato dalla professoressa Chiara Neto, ha sviluppato rivestimenti rugosi nanoingegnerizzati che riducono la resistenza aerodinamica fino al 38% rispetto alle superfici solide nominalmente "lisce". I rivestimenti scivolosi, una volta infusi con un lubrificante, sono anche altamente resistenti al biofouling.
Utilizzando la microscopia a forza atomica, un microscopio a scansione ad altissima risoluzione, il team ha scoperto che i fluidi che passano attraverso canali microstrutturati con queste superfici erano in grado di scivolare attraverso con un attrito inferiore a causa della formazione spontanea di nanobolle, un fenomeno mai descritto prima .
I risultati sono pubblicati questa settimana su Nature Communications .
Potenziale applicazione medica
Molti strumenti diagnostici medici si basano sull'analisi su piccola scala di minuscole quantità di materiali biologici e di altro tipo in forma liquida. Questi "dispositivi microfluidici" utilizzano microcanali e microreattori in cui le reazioni solitamente eseguite su larga scala in un laboratorio di chimica o patologia sono condotte su scala miniaturizzata.
L'analisi di volumi di materiale molto più piccoli consente una diagnostica più rapida ed efficiente. Tuttavia, il problema con i dispositivi microfluidici è che il flusso del fluido viene drasticamente rallentato dall'attrito del liquido con le pareti solide dei canali, creando una grande resistenza idrodinamica. Per ovviare a questo, i dispositivi applicano pressioni elevate per guidare il flusso.
A sua volta, l'alta pressione all'interno di questi dispositivi non solo è inefficiente, ma può anche danneggiare campioni delicati nel dispositivo, come cellule e altri materiali morbidi. Inoltre, le pareti solide vengono facilmente contaminate da molecole o batteri biologici, portando a una rapida degradazione attraverso il biofouling.
Una soluzione a entrambi questi problemi consiste nell'utilizzare superfici in cui i pori su scala nanometrica intrappolano piccole quantità di lubrificante, formando un'interfaccia liquida scivolosa, che riduce la resistenza idrodinamica e previene il biofouling superficiale.
In effetti, le superfici infuse di liquido sostituiscono la parete solida con una parete liquida, consentendo il flusso di un secondo liquido con attrito inferiore, che richiede una pressione inferiore. Tuttavia, il meccanismo con cui funzionano queste superfici infuse di liquido non è stato compreso, poiché è stato segnalato che la riduzione dell'attrito offerta da queste superfici è 50 volte maggiore di quanto ci si aspetterebbe in base alla teoria.
Nanobolle in soccorso?
La professoressa Neto e il suo team hanno descritto come hanno formato pareti infuse di liquido sui loro dispositivi microfluidici, sviluppando rivestimenti rugosi nanoingegnerizzati che riducono la resistenza fino al 38% rispetto alle pareti solide. Il team comprende:Ph.D. lo studente Chris Vega-Sánchez, il cui lavoro negli ultimi tre anni si è concentrato sulla microfluidica; il dottor Sam Peppou-Chapman, esperto di superfici infuse di liquidi; e la dott.ssa Liwen Zhu, esperta di microscopia a forza atomica, che offre agli scienziati la capacità di vedere fino a un miliardesimo di metro.
Conducendo misurazioni microfluidiche, il team ha rivelato che le nuove superfici scivolose hanno ridotto la resistenza rispetto alle superfici solide a un livello che ci si aspetterebbe solo se la superficie fosse infusa con aria anziché con un lubrificante viscoso. Non soddisfatto della riuscita riduzione della resistenza aerodinamica, il team ha lavorato per dimostrare il meccanismo mediante il quale le superfici hanno indotto lo slittamento.
Lo hanno fatto scansionando le superfici sott'acqua utilizzando la microscopia a forza atomica, consentendo loro di visualizzare la formazione spontanea di nanobolle, alte solo 100 nanometri sulla superficie. La loro presenza spiega quantitativamente l'enorme slittamento osservato nel flusso microfluidico.
Parte del lavoro di microscopia è stato svolto utilizzando le strutture dell'Australian Center for Microscopy &Microanalysis presso l'Università di Sydney.
Il professor Neto ha dichiarato:"Vogliamo capire il meccanismo fondamentale con cui funzionano queste superfici e spingere i limiti della loro applicazione, soprattutto per l'efficienza energetica. Ora che sappiamo perché queste superfici sono scivolose e riducono la resistenza, possiamo progettarle in modo specifico per ridurre al minimo l'energia necessaria per guidare il flusso in geometrie confinate e ridurre le incrostazioni". + Esplora ulteriormente
