Los investigadores descubrieron que el recubrimiento del interior de los microtubos de vidrio con un material de hidrogel de polímero altera dramáticamente la forma en que las fuerzas capilares atraen agua hacia las pequeñas estructuras. El descubrimiento podría proporcionar una nueva forma de controlar los sistemas microfluídicos, incluido el popular laboratorio en undispositivos de chip.
La acción capilar atrae agua y otros líquidos a espacios confinados, como tubos, pajillas, mechas y toallas de papel, y el caudal puede predecirse mediante un análisis hidrodinámico simple. Pero una observación casual realizada por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia causaráun recálculo de esas predicciones para las condiciones en que las películas de hidrogel recubren los tubos que transportan líquidos a base de agua.
"En lugar de moverse de acuerdo con las expectativas convencionales, los líquidos a base de agua se deslizan a una nueva ubicación en el tubo, se atascan y luego se deslizan de nuevo, y el proceso se repite una y otra vez", explicó Andrei Fedorov, profesor delGeorge W. Woodruff School of Mechanical Engineering en Georgia Tech. "En lugar de llenar el tubo con una tasa de penetración de líquido que disminuye con el tiempo, el agua se propaga a una velocidad casi constante en el capilar recubierto de hidrogel. Esto era muy diferente de lo quehabíamos esperado "
Los resultados fueron el resultado de una investigación patrocinada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea AFOSR a través del centro BIONIC en Georgia Tech, y se informó a principios de este mes en la revista Materia suave .
Cuando la abertura de un tubo de vidrio delgado se expone a una gotita de agua, el líquido comienza a fluir hacia el tubo, atraído por una combinación de tensión superficial en el líquido y adhesión entre el líquido y las paredes del tubo.el camino es un menisco, una superficie curva del agua en el borde delantero de la columna de agua. Un tubo de vidrio de borosilicato común se llena por acción capilar a una velocidad gradualmente decreciente con la velocidad de propagación del menisco disminuyendo como una raíz cuadrada del tiempo.
Pero cuando el interior de un tubo está recubierto con una capa muy delgada de poli N-isopropilacrilamida, un llamado polímero "inteligente" PNIPAM, todo cambia. El agua entra en un tubo recubierto en el interior con un filtro secoLa película de hidrogel primero debe humedecer la película y permitir que se hinche antes de que pueda avanzar más dentro del tubo. La humectación y la hinchazón se producen no continuamente, sino con pasos discretos en los que el menisco de agua se pega primero y su movimiento permanece detenido mientras la capa de polímerose deforma localmente. El menisco luego se desliza rápidamente por una corta distancia antes de que el proceso se repita. Este proceso de "deslizamiento" obliga al agua a moverse dentro del tubo en un movimiento paso a paso.
La velocidad de flujo medida por los investigadores en el tubo recubierto es tres órdenes de magnitud menor que la velocidad de flujo en un tubo no recubierto. Una ecuación lineal describe la dependencia del tiempo del proceso de llenado en lugar de una ecuación cuadrática clásica que describe el llenado de untubo sin recubrimiento.
"En lugar de llenar el capilar en una centésima de segundo, puede tomar decenas de segundos llenar el mismo capilar", dijo Fedorov. "Aunque hay una cierta inflamación del hidrogel al entrar en contacto con el agua, el cambio en el tuboel diámetro es insignificante debido al pequeño grosor de la capa de hidrogel. Es por eso que nos sorprendió tanto la primera vez que observamos una disminución tan dramática del proceso de archivo en nuestros experimentos ".
Los investigadores, que incluyeron a los estudiantes de posgrado James Silva, Drew Loney y Ren Geryak y al ingeniero de investigación Peter Kottke, volvieron a intentar el experimento con glicerol, un líquido que no es absorbido por el hidrogel. Con el glicerol, la acción capilar continuóa través del microtubo recubierto de hidrogel como con un tubo no recubierto de acuerdo con la teoría convencional. Después de usar la visualización óptica de alta resolución para estudiar la propagación del menisco mientras el polímero se hinchaba, los investigadores se dieron cuenta de que podían dar un buen uso a este comportamiento previamente desconocido.
La absorción de agua por parte de los hidrogeles se produce solo cuando los materiales permanecen por debajo de una temperatura de transición específica. Cuando se calienta por encima de esa temperatura, los materiales ya no absorben agua, eliminando el fenómeno de "deslizamiento por adherencia" en los microtubos y permitiendo que se comporten como ordinariostubos
Esta capacidad de activar y desactivar el comportamiento antideslizante con la temperatura podría proporcionar una nueva forma de controlar el flujo de líquido a base de agua en dispositivos microfluídicos, incluidos los laboratorios en un chip. La temperatura de transición se puede controlar mediantevariando la composición química del hidrogel.
"Al calentar o enfriar localmente el polímero dentro de una cámara microfluídica, puede acelerar el proceso de llenado o ralentizarlo", dijo Fedorov. "El tiempo que tarda el líquido en recorrer la misma distancia puede variar hastatres órdenes de magnitud. Eso permitiría un control preciso del flujo de fluido bajo demanda utilizando estímulos externos para cambiar el comportamiento de la película de polímero ".
El calentamiento o enfriamiento se puede hacer localmente con láseres, calentadores pequeños o dispositivos termoeléctricos colocados en ubicaciones específicas en los dispositivos de microfluidos.
Eso podría permitir una sincronización precisa de las reacciones en los dispositivos microfluídicos al controlar la velocidad de suministro de reactivos y la eliminación del producto, o permitir que se produzca una secuencia de reacciones rápidas y lentas. Otra aplicación importante podría ser la liberación controlada de fármacos en la que la velocidad deseada de la moléculael parto podría ajustarse dinámicamente con el tiempo para lograr el resultado terapéutico óptimo.
En el trabajo futuro, Fedorov y su equipo esperan aprender más sobre la física de los capilares modificados con hidrogel y estudiar el flujo capilar utilizando microtubos parcialmente transparentes. También quieren explorar otros polímeros "inteligentes" que cambian la velocidad de flujo en respuestaa diferentes estímulos, incluido el cambio del pH del líquido, la exposición a la radiación electromagnética o la inducción de estrés mecánico, todo lo cual puede cambiar las propiedades de un hidrogel particular diseñado para responder a esos desencadenantes.
"Estos resultados experimentales y teóricos proporcionan un nuevo marco conceptual para el movimiento del líquido confinado por interfaces suaves de polímero que evolucionan dinámicamente en las que el sistema crea una barrera de energía para avanzar más a través de la deformación elastocapilar, y luego baja la barrera a través del ablandamiento difusivo,"escribieron los autores del artículo." Esta idea tiene implicaciones para el diseño óptimo de dispositivos microfluídicos y de laboratorio en un chip basados en polímeros inteligentes que responden a estímulos ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por John Toon. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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