10.7 Открытые микрожидкостные и наножидкостные системы

Уже не секрет, что химические и биохимические экспресс-лаборатории будущего уменьшатся до размеров компьютерного чипа (речь идет о так называемых лабораториях-на-чипе). Это позволит сделать анализы хи­мических и биологических объектов более быстрыми и точными. Прин­цип действия лаборатории-на-чипе состоит в том, что она сортирует вещества с помощью ряда каналов диаметром в несколько десятков нанометров. На основе лабораторий-на-чипе можно создать простые, эффективные и быстродействующие анализаторы крови. Если сегодня процедура анализа крови занимает около трех дней, то с использовани­ем наножидкостных устройств этот срок может сократиться до получа­са. При этом анализ будет выполнен с высокой степенью точности.

Однако массовое изготовление закрытых микрожидкостных систем сопряжено с определенными трудностями. Открытые микро- и нано­жидкостные системы, позволяющие осуществлять транспорт веществ, до сих пор не могли сконструировать из-за того, что оптимальная гео­метрия каналов таких устройств не была разработана.

Основа открытых микрожидкостных систем — сеть каналов, вытрав­ленных на подложке (как правило, это кремний). Матрицы с открыты­ми каналами достаточно просто производить в больших количествах с помощью хорошо развитой на сегодняшний день фотолитографии. Не­давно совместными усилиями ученых из Института им. Макса Планка (Германия) и их коллег из Калифорнийского университета была разра­ботана теория открытых нано- и микрожидкостных структур. Примене­ние этой теории в изготовлении лабораторий-на-чипе позволит нала­дить их массовый выпуск.

О снова теории расчета капилляров заключается в определении их геометрии в зависимости от смачиваемости транспортируемой по ним жидкости. Простейший вид геометрии капиллярных каналов микро­жидкостных систем — прямоугольный. На первый взгляд кажется неле­постью делать такие устройства с открытыми каналами для транспорта жидкости. Однако на микро- и наноуровне жидкости ведут себя не так, как мы привыкли считать. Дело в том, что в микро- и наножидкостных системах важную роль играют капиллярные силы и силы поверхност­ного натяжения.

Рис. 10.11. Морфология протекания жидкости по каналам

Исследователи попытались изучить морфологию протекания жид­кости через открытые каналы с различной геометрией. Для этого они использовали быстро замерзающую полимерную жидкость. На рис. 10.11 можно видеть микрофотографии и 3D-структуры, полученные с помо­щью атомно-силовой микроскопии.

Как мы видим, морфология достаточно разнообразна — жидкость то вытягивается вдоль канала, то собирается каплями.

На рис. 10.11 справа можно увидеть канал шириной 1 мкм, запол­ненный жидкостью. А в канале большей ширины, который представ­лен слева, жидкость образовала каплю. Также в процессе исследова­ний было установлено, что наиболее сильные капиллярные силы образуются в канале, который имеет поперечное сечение в виде рав­нобедренной трапеции. Ученые также определили, что зависимость капиллярных сил от угла наклона контактных поверхностей не со­гласовывается с классическим уравнением Юнга. Поэтому исследо­ватели разработали собственную теорию смачивания в наноразмер-ном диапазоне. Одним из интересных следствий новой теории является то, что давление жидкости в открытом канале шириной 100 нм мо­жет достигать 15 атмосфер! Если же расширить канал до 1 мм, то вступят в силу классические законы и давление упадет до тысячной доли атмосферы.

Одним из практических применений новой теории будет изготов­ление открытых микрожидкостных систем с изменяющейся геометри­ей каналов. Таким образом, можно будет управлять их смачиваемос-тью и даже регулировать проток жидкости через них. Также каналы можно сделать смачиваемыми только для определенного типа жидко­сти (выбрав нужный тип геометрии), что позволит сделать простые селекторные чипы.