Учёные используют особенности поведения жидкостей в микроканалах для создания уникальных устройств и приборов
- Те из нас, кто сталкивался с современными портативными глюкометрами (приборами для определения содержания уровня сахара в крови), наверняка задавались вопросом: а как это работает? Каким образом крошечной капли крови (объемом 0,0003-0,03 мл) из проколотого пальца оказывается достаточно для проведения анализа?
- Не вдаваясь особо в подробности, отметим, что компактные размеры существующих моделей глюкометров определяются, по сути, устройством соответствующих тест-полосок. Последние представляют собой тончайшие капилляры, заключенные в пластиковую оболочку. Помимо втягивания необходимого количества крови, капилляр здесь является одновременно и емкостью, в которой происходит электрохимический анализ взятого образца.
- Подобное решение, а именно использование микроканалов как среды для проведения химических реакций, медицинских тестов и пр., позволяет не только миниатюризировать соответствующие устройства и процессы, но и зачастую добиться результатов, которые немыслимы в мире традиционных колб, кювет и пробирок.
-
О том, что именно привлекает ученых и инженеров в микроканальных технологиях, наш дальнейший рассказ.
- Тоньше волоса
- Теоретическими и прикладными аспектами движения жидкостей и газов занимается наука гидродинамика. Среди многочисленных ее разделов (аэродинамика, реология, гидравлика и пр.) существует и так называемая микрогидродинамика, изучающая поведение малых (тысячные доли миллилитра) объемов жидкости, заключенных в капиллярах, микроканалах, порах и т.д.
- Необходимость отдельного рассмотрения подобных систем связана с тем, что при переходе с макро– на микроуровень начинают играть значительную роль силы и эффекты, до того себя практически не проявляющие.
- Как результат, характеристики и параметры, к примеру, потока воды в капилляре толщиной в человеческий волос (диаметром около 70 микрометров) и в стандартной водопроводной трубе (2,5 см) существенно различаются.
- Соответственно приборы и устройства, основанные на использовании жидкостей (газов) в микроканалах, обладают уникальными свойствами и отнюдь не являются лишь уменьшенными копиями своих больших собратьев.
- Лаборатория на чипе
- Развитие прикладной микрогидродинамики стало возможным благодаря достижениям электронной промышленности, технологии производства интегральных схем (фотолитография, избирательное травление и др.) были адаптированы для создания микроканалов. Так, появившиеся на рынке в середине 1980-х годов струйные принтеры, в которых чернила разбрызгиваются на бумагу из сотен тончайших сопел печатающей головки, являются одним из первых примеров успешной реализации принципов практической микрогидродинамики.
- В настоящее время интерес ученых и инженеров, работающих в этой области, сконцентрирован главным образом на создании диагностических систем для медицины и молекулярной биологии, так называемых биочипов. Последние по замыслу разработчиков должны объединять в своем составе все компоненты (сенсорная матрица, системы пробоотбора и пробоподготовки, блоки концентрирования и разделения), необходимые для анализа в реальном масштабе времени образцов на наличие, скажем, определенных токсинов, болезнетворных бактерий или особых белковых молекул.
- Как результат, исследования, которые сейчас проводятся на дорогостоящем оборудовании в специализированных лабораториях, сможет в перспективе выполнить в считанные минуты любой человек, используя соответствующий биочип.
- Микрореакторная химия
- Максимальную эффективность и безопасность протекания любой химической реакции невозможно достичь без контроля основных ее параметров (давление, температура, концентрация реагентов и т.д.). На сегодняшний день существует множество инженерных решений, позволяющих с некоторой погрешностью осуществить задуманное. Однако лишь с появлением микрореакторов ученые получили возможность точно манипулировать условиями проведения того или иного химического процесса.
- Так, например, благодаря ламинарному (без завихрений) характеру потока и большому отношению площади поверхности жидкости к ее объему, процесс массо– и теплопереноса энергии в микрореакторах осуществляется равномерно, что особенно важно для сведения к минимуму побочных реакций.
- В свою очередь, существующие индустриальные реакторы хорошо известны за свою тепловую, концентрационную и другие неоднородности, возникающие как в силу значительных размеров химической промышленной аппаратуры, так и по причинам косвенного порядка (особенности режима перемешивания, способа нагрева, порядка добавления реагентов и т.д.).
- Именно по этой причине при переходе от лабораторного к промышленному производству условия проведения любого химического процесса или реакции должны быть оптимизированы заново.
- Микрореакторы, обычно представляющие из себя стеклянные пластины с расположенной внутри системой тончайших каналов, часто обладают встроенными микросмесителями, клапанами, насосами, что позволяет использовать их для осуществления самых различных химических реакций.
- Может показаться, что практическая ценность микрореакторов, чей рабочий объем редко превышает 1 мл, в реальной жизни невысока. Между тем, благодаря непрерывному режиму работы (без загрузки-выгрузки реагентов/конечных продуктов) и возможности параллельного использования десятков и сотен таких пластин, выход желаемого продукта на настоящий момент можно легко довести до нескольких сотен граммов – пары килограммов в день.
- Подобные объемы производства нередко встречаются, к примеру, в фармацевтической промышленности (активные ингредиенты лекарств) или на предприятиях тонкого органического синтеза (катализаторы, взрывоопасные/высокотоксичные реагенты и пр.).
- Солнце, море и вода
- Группа ученых из Массачусетского технологического института (США) использовала микроканальные технологии и связанные с ними эффекты для опреснения морской воды. Разработанное ими устройство представляет собой кремниевую пластину, содержащую Y-образный микроканал, один из рукавов которого в месте разветвления перекрыт полупроницаемой пористой мембраной.
- Подача небольшого напряжения приводит к тому, что заряженные частицы соли не могут проникнуть сквозь мембрану (явление ионной концентрационной поляризации) и уносятся с потоком воды через соседний рукав.
- Таким образом, одна половина поступившей морской воды очищается на 99% от соли, в то время как вторая становится более горькой.
- Ученые подсчитали: 1500 таких микроканальных сборок на пластине диаметром 20 см будет достаточно для получения 15 литров пресной воды в час.
- Заручившись финансовой поддержкой государства, исследователи разрабатывают автономную, работающую от солнечных батарей, опреснительную установку для использования на месте стихийных бедствий или в странах третьего мира.
-
Александр ЛЕОНТЬЕВ
Добавить комментарий