Investigadores del Nano Institute y la Facultad de Química de la Universidad de Sydney han revelado que pequeñas burbujas de gas, nanoburbujas de solo 100 mil millonésimas de metro de altura, se forman en superficies en situaciones inesperadas, lo que proporciona una nueva forma de reducir la resistencia en dispositivos a pequeña escala.

El arrastre de líquido dentro de los microdispositivos puede provocar incrustaciones internas (acumulación de materiales biológicos no deseados) o dañar muestras biológicas, como células, debido a la alta presión. Por lo tanto, el descubrimiento podría allanar el camino para el desarrollo de mejores herramientas de diagnóstico médico, como dispositivos lab-on-a-chip que realizan análisis de ADN o se utilizan para la detección biomédica de patógenos de enfermedades.

El equipo, dirigido por la profesora Chiara Neto, desarrolló revestimientos rugosos creados mediante nanoingeniería que reducen la resistencia hasta en un 38 % en comparación con las superficies sólidas nominalmente "lisas". Los revestimientos resbaladizos, una vez infundidos con un lubricante, también son altamente resistentes a la bioincrustación.

Usando microscopía de fuerza atómica, un microscopio de barrido de muy alta resolución, el equipo descubrió que los fluidos que pasaban a través de canales microestructurados con estas superficies podían deslizarse con menor fricción debido a la formación espontánea de nanoburbujas, un fenómeno nunca antes descrito. .

Los resultados se publican esta semana en Nature Communications .

Posible aplicación médica

Muchas herramientas de diagnóstico médico se basan en el análisis a pequeña escala de pequeñas cantidades de materiales biológicos y de otro tipo en forma líquida. Estos "dispositivos de microfluidos" utilizan microcanales y microrreactores en los que las reacciones que normalmente se realizan a gran escala en un laboratorio de química o patología se llevan a cabo a escala miniaturizada.

El análisis de volúmenes de material mucho más pequeños permite diagnósticos más rápidos y eficientes. Sin embargo, el problema con los dispositivos de microfluidos es que el flujo de fluido se ralentiza drásticamente por la fricción del líquido con las paredes sólidas de los canales, creando una gran resistencia hidrodinámica. Para superar esto, los dispositivos aplican altas presiones para impulsar el flujo.

A su vez, la alta presión dentro de estos dispositivos no solo es ineficiente sino que también puede dañar muestras delicadas en el dispositivo, como células y otros materiales blandos. Además, las paredes sólidas se ensucian fácilmente con moléculas biológicas o bacterias, lo que lleva a una rápida degradación a través de la bioincrustación.

Una solución a estos dos problemas es utilizar superficies en las que los poros a nanoescala atrapan pequeñas cantidades de un lubricante, formando una interfaz líquida resbaladiza, que reduce la resistencia hidrodinámica y evita la bioincrustación de la superficie.

En efecto, las superficies infundidas con líquido reemplazan la pared sólida con una pared líquida, lo que permite el flujo de un segundo líquido con menor fricción, lo que requiere menor presión. Sin embargo, no se ha entendido el mecanismo por el cual funcionan estas superficies infundidas con líquido, ya que se ha informado que la reducción de la fricción que ofrecen estas superficies es 50 veces mayor de lo que se esperaría según la teoría.

¿Nanoburbujas al rescate?

La profesora Neto y su equipo han descrito cómo formaron paredes infundidas con líquido en sus dispositivos de microfluidos, mediante el desarrollo de recubrimientos arrugados creados con nanoingeniería que reducen la resistencia hasta en un 38 % en comparación con las paredes sólidas. El equipo incluye:Ph.D. el estudiante Chris Vega-Sánchez, cuyo trabajo durante los últimos tres años se centró en la microfluídica; el Dr. Sam Peppou-Chapman, experto en superficies infundidas con líquidos; y la Dra. Liwen Zhu, experta en microscopía de fuerza atómica, que brinda a los científicos la capacidad de ver hasta una billonésima parte de un metro.

Al realizar mediciones de microfluidos, el equipo reveló que las nuevas superficies resbaladizas reducían la resistencia en relación con las superficies sólidas en un grado que se esperaría solo si la superficie se infundiera con aire en lugar de un lubricante viscoso. No satisfecho con la exitosa reducción de la resistencia, el equipo trabajó para demostrar el mecanismo por el cual las superficies inducían el deslizamiento.

Lo hicieron escaneando las superficies bajo el agua usando microscopía de fuerza atómica, lo que les permitió obtener imágenes de la formación espontánea de nanoburbujas, de solo 100 nanómetros de altura en la superficie. Su presencia explica cuantitativamente el enorme deslizamiento observado en el flujo microfluídico.

Parte del trabajo de microscopía se realizó en las instalaciones del Centro Australiano de Microscopía y Microanálisis de la Universidad de Sydney.

El profesor Neto dijo:"Queremos comprender el mecanismo fundamental por el cual funcionan estas superficies y ampliar los límites de su aplicación, especialmente para la eficiencia energética. Ahora que sabemos por qué estas superficies son resbaladizas y reducen la resistencia, podemos diseñarlas específicamente. para minimizar la energía requerida para impulsar el flujo en geometrías confinadas y reducir el ensuciamiento". + Explora más

La superficie resbaladiza con infusión de líquido funciona mejor que la superficie superhidrofóbica en resistencia a la corrosión a largo plazo