Поиск на сайте

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



Поделитесь в соц сетях