Des chercheurs du Nano Institute and School of Chemistry de l'Université de Sydney ont révélé que de minuscules bulles de gaz - des nanobulles d'à peine 100 milliardièmes de mètre de haut - se forment sur les surfaces dans des situations inattendues, offrant un nouveau moyen de réduire la traînée dans les appareils à petite échelle.

La traînée de liquide dans les microdispositifs peut entraîner un encrassement interne (accumulation de matières biologiques indésirables) ou endommager des échantillons biologiques tels que des cellules, en raison d'une pression élevée. Ainsi, cette découverte pourrait ouvrir la voie au développement de meilleurs outils de diagnostic médical, tels que des dispositifs de laboratoire sur puce qui entreprennent une analyse de l'ADN ou sont utilisés pour la détection biomédicale d'agents pathogènes.

L'équipe, dirigée par le professeur Chiara Neto, a développé des revêtements ridée nanotechnologiques qui réduisent la traînée jusqu'à 38 % par rapport aux surfaces solides nominalement « lisses ». Les revêtements glissants, une fois imprégnés d'un lubrifiant, sont également très résistants à l'encrassement biologique.

En utilisant la microscopie à force atomique, un microscope à balayage à très haute résolution, l'équipe a découvert que les fluides traversant des canaux microstructurés avec ces surfaces pouvaient s'y glisser avec moins de frottement en raison de la formation spontanée de nanobulles, un phénomène jamais décrit auparavant. .

Les résultats sont publiés cette semaine dans Nature Communications .

Application médicale potentielle

De nombreux outils de diagnostic médical reposent sur l'analyse à petite échelle de petites quantités de matériaux biologiques et autres sous forme liquide. Ces "dispositifs microfluidiques" utilisent des microcanaux et des microréacteurs dans lesquels les réactions généralement effectuées à grande échelle dans un laboratoire de chimie ou de pathologie sont menées à une échelle miniaturisée.

L'analyse de volumes de matière beaucoup plus petits permet des diagnostics plus rapides et plus efficaces. Cependant, le problème avec les dispositifs microfluidiques est que l'écoulement du fluide est considérablement ralenti par le frottement du liquide avec les parois solides des canaux, créant une grande traînée hydrodynamique. Pour surmonter cela, les appareils appliquent des pressions élevées pour conduire le flux.

À son tour, la haute pression à l'intérieur de ces appareils est non seulement inefficace, mais peut également endommager des échantillons délicats dans l'appareil, tels que des cellules et d'autres matériaux mous. De plus, les parois solides sont facilement encrassées par des molécules biologiques ou des bactéries, entraînant une dégradation rapide par bioencrassement.

Une solution à ces deux problèmes consiste à utiliser des surfaces dans lesquelles les pores à l'échelle nanométrique emprisonnent de petites quantités de lubrifiant, formant une interface liquide glissante, ce qui réduit la traînée hydrodynamique et empêche l'encrassement biologique de la surface.

En effet, les surfaces infusées de liquide remplacent la paroi solide par une paroi liquide, permettant l'écoulement d'un deuxième liquide avec un frottement moindre, nécessitant une pression plus faible. Cependant, le mécanisme par lequel ces surfaces infusées de liquide fonctionnent n'a pas été compris, car la réduction de la friction offerte par ces surfaces a été signalée comme étant 50 fois plus importante que ce à quoi on pourrait s'attendre sur la base de la théorie.

Les nanobulles à la rescousse ?

Le professeur Neto et son équipe ont décrit comment ils ont formé des parois infusées de liquide sur leurs dispositifs microfluidiques, en développant des revêtements froissés nanotechnologiques qui réduisent la traînée jusqu'à 38 % par rapport aux parois solides. L'équipe comprend:Ph.D. l'étudiant Chris Vega-Sánchez, dont les travaux des trois dernières années se sont concentrés sur la microfluidique; le Dr Sam Peppou-Chapman, expert en surfaces infusées de liquide ; et le Dr Liwen Zhu, un expert en microscopie à force atomique, qui permet aux scientifiques de voir jusqu'au milliardième de mètre.

En effectuant des mesures microfluidiques, l'équipe a révélé que les nouvelles surfaces glissantes réduisaient la traînée par rapport aux surfaces solides à un degré auquel on ne s'attendrait que si la surface était imprégnée d'air plutôt que d'un lubrifiant visqueux. Insatisfaite de la réussite de la réduction de la traînée, l'équipe a travaillé pour démontrer le mécanisme par lequel les surfaces induisaient le glissement.

Ils l'ont fait en scannant les surfaces sous l'eau à l'aide de la microscopie à force atomique, ce qui leur a permis d'imager la formation spontanée de nanobulles, d'une hauteur de seulement 100 nanomètres à la surface. Leur présence explique quantitativement l'énorme glissement observé dans les flux microfluidiques.

Une partie du travail de microscopie a été effectuée à l'aide des installations du Centre australien de microscopie et de microanalyse de l'Université de Sydney.

Le professeur Neto a déclaré :« Nous voulons comprendre le mécanisme fondamental par lequel ces surfaces fonctionnent et repousser les limites de leur application, en particulier pour l'efficacité énergétique. Maintenant que nous savons pourquoi ces surfaces sont glissantes et réduisent la traînée, nous pouvons les concevoir spécifiquement. pour minimiser l'énergie nécessaire pour conduire le flux dans des géométries confinées et réduire l'encrassement." + Explorer plus loin

La surface glissante infusée de liquide offre de meilleures performances que la surface superhydrophobe en termes de résistance à la corrosion à long terme