Wie größer könnten Atome dazu beitragen, kleinere "Lab-on-a-Chip" Geräte

"Lab-on-a-Chip"-Geräte, die mehrere Labor-Funktionen auf einem einzigen, Kleinstunternehmen Chip durchführen können – sind das Ergebnis einer ruhigen wissenschaftlichen Revolution in den letzten paar Jahren. Beispielsweise aktivieren sie Ärzte, komplexe Diagnosen sofort aus einem einzigen Tropfen Blut zu machen.

In der Zukunft werden solche Geräte zu sehr kleinen Größen, vergleichbar mit der Flüssigkeitsmoleküle schrumpfen selbst, eine große Herausforderung; Erfolg hängt von unserer Fähigkeit zu verstehen, wie Flüssigkeiten unter extremer Beengtheit Verhalten. In einer aktuellen Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Communications kamen wir mit einer neuen Art von Enthüllung Verhalten von Flüssigkeiten in solchen "Superconfinement" mit klumpigen Partikel bekannt als Kolloide, um wie übergroße Atome zu handeln.

Milchiges Regenbogen

Atome sind kleine Dinge. So klein, Sie wäre nicht in der Lage, sie unter einem optischen Mikroskop zu sehen. Aber was ist, wenn Sie die Atome in der Größe sprengen könnte? Dies ist genau das, was Kolloide tun, sie fungieren als grob übergroßen Atome. Die Technik kann viele Prozesse in Flüssigkeiten im atomaren Maßstab – etwas replizieren, die Schlüssel für die weitere Entwicklung von Lab-on-a-Chip-Geräte ist.

Kolloide sind überall, auch in der Milch, die Sie wahrscheinlich nur in Ihrem Tee gegossen. Milch ist eine wässrige Mischung, mit Zucker, Fette und Proteine unter anderem Zeug. Viele dieser Komponenten zusammenfassen in kleinen Klumpen von etwa tausendmal kleiner als ein Millimeter in der Größe. Diese Klumpen sind nennen wir kolloidale Teilchen.

Milch ist in der Tat ein sehr gutes Beispiel für die macht, die Kolloide in der Wissenschaft haben können. Durch das Mischen von Milch und Wasser in eine Schale und strahlendes Licht durch mit einer Taschenlampe kann einen Effekt hinter den tollen Farben neu sehen Sie Sonnenuntergänge. In beiden Fällen den Sonnenuntergang Effekt läuft, wie Licht interagiert mit Teilchen in einer Flüssigkeit.

In der Atmosphäre wird durch die Atome und Moleküle, geben dem Himmel seine auffallenden Farben Licht gestreut. Die geringe Größe der Atome bedeutet jedoch, dass Sie den Effekt nur über relativ große Entfernungen von vielen Kilometern sehen können. Mit Milch aber dieser Effekt ist aufgeblasen durch die Größe der kolloidalen Teilchen, so siehst du einen glorreichen Miniatur-Sonnenuntergang mit nur einer Taschenlampe und einem Tablett!

Aber was genau sind Kolloide? Kolloide sind jede Art von Teilchen, die sind klein und leicht genug, um nicht sofort absetzen, wenn Sie sie in einer Flüssigkeit – wie Luft oder Wasser – zu zerstreuen aber nicht zu klein, so dass sie in dieser Flüssigkeit auflösen. Kolloidale Partikel können reichen von 1 Nanometer (das ist ein Millionstel Millimeter) bis 1 Mikrometer in Größe (1000. Millimeter) und kann aus vielen verschiedenen Komponenten erfolgen.

Clevere Kolloide

Zurück im Labor haben wir eine kolloidale Mischung aus kugelförmigen Partikeln und Polymer-Stränge um zu verstehen, Verhalten von Flüssigkeiten in extrem kleinen Kanäle, wie ein Tropfen Wasser in einem Nano-fluidische Chip-Gerät verwendet. Die Größe der Partikel in unserer Mischung ist etwa 200 Nanometer, also sie gut in unsere kolloidalen Teilchen-Klassifizierung passen.

Um Ihnen eine Vorstellung davon wie aufgeblasene diese Atome sind, ist ein Wassermolekül, das etwa 0,25 Nanometer im Durchmesser ist, als eine bloße Spec vor der gigantischen 200 Nanometer-Kolloid. Die intelligente Sache über diese kolloidale Mischung ist, dass die Polymer-Stränge in der Lage sind, zwischen den kugelförmigen Teilchen, Art der Ellenbogen sie heraus zu pressen. Dieser Effekt führt schließlich zu die Kreation von einem zwei-Phasen-Gemisch, sehr ähnlich wie mit Öl vom Wasser getrennt. Entscheidend ist, die Größe der kolloidalen "Moleküle" in unserer "Flüssigkeiten" nicht zu klein im Vergleich zu der Größe eines Mikro-Kanals, so sind wir in der Lage, sie als aufgeblasene Atome zu verwenden, um eine Vielzahl von Phänomenen in extreme Entbindung in Mikro-Kanäle zu studieren.

Ändern Sie die Größe der Kanäle, konnten wir im Detail zeigen, wie eine Flüssigkeit mit den Grenzen umschließt es interagiert. Wir dann dieses Verständnis verwendet, um die Bildung von Tropfen Steuern und jets nur wenige hundert Mal größer als die Größe des ein kolloidales Teilchen. Entscheidend ist, die Größe der kolloidalen Teilchen machte es möglich, die Fluiddynamik unter eine extreme Entbindung in seiner ganzen Pracht, mit nichts als direkte optische Verfahren mit Hilfe der konfokalen Mikroskopie zu beobachten – etwas, das unmöglich mit einem gemeinsamen Flüssigkeit wie Wasser zu tun gewesen wäre.

Also wohin jetzt?

Die flüssigen Strukturen, die wir im Labor ermittelt haben können in Anwendungen sehr nützlich sein, die über unsere kolloidalen Mischungen hinausgehen. Beispielsweise können einfache Änderungen in der Kanal-Größe verwendet werden, zu sehr kleine Flüssigkeitströpfchen zu schaffen, die wiederum für Lab-on-a-Chip Anwendungen als Medikament Träger oder Miniatur-Becher für chemische Reaktionen genutzt werden kann.

Aber die Fähigkeit zur Steuerung der Tropfen auch potenziell eingesetzt werden, führen die Selbstmontage von speziell geformten Partikeln, irgendeine Art von "kolloidales Ziegel", verwendet werden können zu komplexeren Strukturen wie micro Roboter zu produzieren, die zum Beispiel in großen Schwärmen, um Umgebungen zu erkunden, die zu klein für größere Roboter verwendet werden könnten. Es könnte auch helfen, Mikro-basierte Materialien wie hochwertige Mikroemulsionen zu entwickeln, die beispielsweise verwendet werden, können Reinigungs-Produkte.

Solche Anwendungen beschränken sich nicht auf unsere kolloidalen Flüssigkeiten verwenden, sondern sind offen für viele Arten von Flüssigkeiten, einschließlich Wasser und Öle, solange sie in sehr kleine Kanäle enthalten sind. Mit Wissen von einem System um zu verstehen, dass ein weiterer Grund ist nicht besonders, Kolloide, es ist eine Untermauerung Prinzip wie Physik arbeitet, um die Welt um uns herum-Sinn und Enthüllung solcher Allgemeinheit ist vielleicht einer der schönsten Aspekte davon.

Rodrigo Ledesma Aguilar ist Dozent für Physik und Elektrotechnik an der Northumbria University, Newcastle.

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf das Gespräch. Lesen Sie den original Artikel.

Bild von Atdr gs/Wikimedia Commons.

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