Foto: © bluebay2014 / Dollar Photo Club

Kapalinu může tlačit vzhůru i světlo

Fyzici ze Šanghaje vymysleli nový způsob, jakým lze pohánět vzhůru malé množství kapaliny uzavřené v trubičce. Technika by mohla nalézt uplatnění v miniaturizovaných laboratorních systémech, v tzv. laboratořích na čipu, a pomáhat v diagnostice chorob nebo při monitorování stopových prvků v atmosféře.

Takzvaná mikrofluidika, jeden z oborů mechaniky tekutin, se zabývá prouděním tekutin v zařízeních s velmi malými rozměry. Ačkoli jde o poměrně nový obor, fyzici podobným jevům věnují pozornost už dlouho.

Základy oboru dal mimo jiné i takzvaný Marangoniho efekt, který popisuje přesun hmoty mezi dvěma kapalinami na základě gradientu jejich rozdílných povrchových napětí. Jev pozoroval poprvé James Thomson, bratr Lorda Kelvina, v roce 1855 jako takzvané „slzy vína“. Ty se tvoří na stěnách sklenice naplněné vínem jako důsledek toho, že alkohol obsažený ve víně má nižší povrchové napětí než voda. Teď se ale vraťme do přítomnosti.

Fyzici ze Šanghaje vymysleli nový způsob jak pohánět malé množství kapaliny trubičkou směrem vzhůru. Používají k tomu soustavu úzkých kanálků podobných arteriím, které jsou vyrobeny z polymeru s kapalnými krystaly a jež působením světla mění svůj tvar. Technologii by mohly využívat tzv. laboratoře na čipu (labs-on-a-chip), což jsou zařízení, která umožňují provést několik laboratorních procesů najednou na velmi malé ploše. Uplatnění by tato technika mohla nalézt také při výrobě miniaturních mechanických systémů, které se aktivují světlem.

V nově provedených experimentech se vědci zaměřili na studium chování kapalin, jejichž objem je v řádu triliontin litru a které proudí trubičkami o průměru několika mikrometrů. Zmíněná laboratoř na čipu v tomto případě integruje velké množství takových kanálků na jeden malý substrát a vyloučí tradiční laboratorní přístroje a zařízení, které mají velké rozměry a s nimiž experimenty často zaberou dlouhý čas. Zařízení tohoto typu by mohlo najít aplikace například při určování diagnóz v medicíně nebo v rámci monitorování stopových prvků v atmosféře.

Mikrofluidní operace se často uskutečňují pomocí vnějších převodníků, jako jsou pumpy, ventily nebo elektrody, které přicházejí do přímého kontaktu s kapalinou. Jenže používání takových převodníků dělá zařízení složité, drahé, málo mechanicky odolné a může omezovat i potenciální aplikace. Pokud se ale jako vnější zdroj energie pro pohyb kapaliny použije světlo, energie se kapalině dodává bez přímého kontaktu. Dodávaný výkon lze navíc ladit v širokém rozsahu vlnových délek. Takový pohon zajišťuje přesné prostorové a časové určení a je biokompatibilní.

Využívání atraktivních vlastností světla je však velmi obtížné. Jednou z možností je využívat sílu světla přímo, jako radiační tlak, či zvolit to, co se nazývá optická pinzeta, která umí zachytit pevné částice v kapalině. Obě varianty však vyžadují laserový paprsek s velkým výkonem. Jinou možností je využít kapilárních sil vzniklých na základě přilnavosti kapalin k jiným molekulám. Kapilaritu je možné pozorovat uvnitř úzké trubičky, v níž kapalina vzlíná v opačném směru, než působí gravitace.

Právě poslední zmíněnou možnost využili fyzici na univerzitě v Šanghaji. Uvědomili si, že kapka kapaliny, uzavřená v kónické trubičce, se pohybuje do nejužší části trubičky, protože tam je nejnižší tlak. Pokud chtěli použít jako zdroj energie světlo, bylo potřeba najít takovou látku, která by dokázala změnit svůj tvar z válcovitého na kónický, a to právě působením světla. Soustředili se tedy na nalezení struktury z kapalných krystalů, která by takovou transformaci mechanicky vydržela.

Ve svém snažení vědci nakonec uspěli. Inspirovali se přitom cévním systémem, který odvádí krev ze srdce prostřednictvím střídajících se vrstev svalů a elastického materiálu. Tým zhotovil trubičku o průměru kolem 0,5 mm vyrobenou z vrstevnatého polymeru s kapalnými krystaly a svítil na ní modrým světlem z elektrolumi­niscenční diody. V důsledku toho světlo posunulo orientaci molekul kapalných krystalů. Jejich průřez se napřed změnil z kruhového na eliptický a postupným zvyšováním intenzity světla podél trubičky bylo možno změnit tvar trubičky z válcovitého na kónický.

Pokud se v trubici určitá část jedné kapaliny umístí mezi oddělené díly jiné kapaliny a trubice se osvětluje, je podle očekávání možno tuto složenou část, podobnou „náboji“, přesouvat ve směru klesající intenzity světla. Fyzici v Šanghaji vyzkoušeli různé kombinace kapalin, například silikonový olej proložili vzduchovou vrstvou, či řepkovým olejem. Použili však i složitější kapaliny využívané v biomedicínském a chemickém inženýrství. Kýženého efektu dosáhli u trubice nakloněné až o 17°, u stočené trubice i trubice tvaru Y, které umožňují, aby dva silikonové „náboje“ splynuly. Stejné chování zjistili i v případě, že mezi zdroj světla a trubici umístili milimetr silný plátek libového vepřového masa, což dokazuje, že je tento jev možné využít i v rámci aplikací v mikrofluidních systémech umístěných v biologických tkáních.

Také vědci, kteří se podobnou tématikou zabývali již dříve, například optickými pinzetami, jsou přesvědčeni, že výzkum najde řadu aplikací. Laboratoř na čipu zatím často vypadá jako čip ve velké laboratoři, když se ale nahradí externí pumpy nebo jiné zdroje a převodníky zdrojem světla, který může být na čip přímo integrován, nastane změna. Není pochyb o tom, že světlem řízené mikrofluidní procesy znamenají velký pokrok. Nyní je jen třeba prokázat, že takové uspořádání je v praxi opravdu použitelné.

Původní materiál byl uveřejněn v časopise Nature.

Jana Štrajblová

Převzato z Matfyz.cz

Překvapující geometrická kouzla: Foton v zakalené vodě

Máme dvě skleničky, jednu s vodou čirou a druhou zakalenou. Do obou vyšleme paprsek světla. …

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close