Биологи и физики Тюменского государственного университета и национального исследовательского ядерного университета МИФИ исследуют возможность манипулировать микрочастицами не только за счет нагрева несущей среды, но и за счет понижения ее температуры. Это открывает большие перспективы для применения предлагаемого метода в биологических исследованиях и медицине, где важно не разрушать термически живые объекты.
Российские ученые предложили метод манипулирования частицами, который поможет создавать искусственные биологические ткани / ©Getty images
Статья «Транспорт и сборка микрочастиц через потоки Марангони в режимах нагрева и охлаждения» сотрудников Научно-исследовательской лаборатории фотоники и микрофлюидики ТюмГУ Мохамеда Аль-Музайкера, Натальи Ивановой, Виктора Флягина и физика из НИЯУ МИФИ Петра Лебедева-Степанова вышла в журнале «Коллоиды и поверхности А: физико-химические и технические аспекты».
Манипулирование микрочастицами, взвешенными в жидкой среде (включая твердые частицы, полимеры, клетки, мицеллы и белки), а также формирование самосборки желаемой структуры и морфологии на поверхности имеют решающее значение для химических и биомедицинских исследований, изготовления новых материалов, покрытия и очистки в электронной и оптической промышленности.
В большинстве случаев самосборка или агрегация частиц определяется действием капиллярных течений, переносящих частицы к областям интенсивного испарения в самопроизвольно испаряющихся жидкостях. Яркий пример спонтанной самоорганизации частиц в испаряющихся каплях – эффект кофейного кольца, когда кофейные частицы после высыхания капли образуют кольцевую структуру.
Сегодня подходы к формированию требуемых морфологий (паттернов) ансамблей частиц в испаряющихся коллоидных жидкостях можно разделить на пассивные и активные. Пассивные методы реализуются, например, созданием рельефа на поверхности травлением или литографией, или использованием масок для испарения в открытых системах, так называемой испарительной литографии. Однако у этих методов есть недостаток, связанный с невозможностью манипулирования частицами путем настройки параметров управления в реальном времени.
Активные методы — это воздействие на систему внешних раздражителей, например, акустических волн, инерционного поля, электрических магнитных полей. Звуковой эффект создает периодические поля давления (стоячие акустические волны), которые приводят к соответствующему распределению ансамбля частиц в большом масштабе. В последнее время точные акустические пинцеты необходимы для улавливания отдельных частиц.
Применимость методов, основанных на магнитных и диэлектрофорезных эффектах, ограничена специфическими свойствами (поляризуемость, восприимчивость, проводимость) частиц и среды. Использование оптических пинцетов обеспечивает высокоточное манипулирование одиночными частицами, но для управления множеством частиц требует сложной оптической установки и дорогостоящих оптических инструментов для временных и пространственных преобразований светового луча, которые не позволяет реализовать компактные приборы.
В этой работе предлагается метод манипулирования микрочастицами в слоях летучих жидкостей толщиной в сотни микрон, основанный на управлении потоками Марангони путем изменения знака градиента температуры в жидкости локальным действием источника тепла и теплоотвода.
Ученые наглядно продемонстрировали применимость метода для выполнения широкого круга манипуляций с ансамблями частиц: сборка частиц в круговые узоры на подложке при нагреве, перенос частиц от радиатора при охлаждении подложки, создание кольцеобразных узоров за счет изменения знака градиента температуры в процессе сборки частиц.
Результаты исследования показали, что в режиме нагрева частицы собираются в зоне нагрева в виде кругового узора, конечная площадь которого увеличивается с увеличением количества частиц и уменьшается с увеличением толщины слоя. Последнее связано с тем, что частицы, поднимаемые восходящими потоками в толстых слоях, создают плотный многослойный ансамбль.
Отличительная особенность предлагаемого метода — возможность обратимого управления и преобразования картины путем изменения знака температурного градиента в соответствии с любыми требованиями. В этом случае, помимо круглой сборки или очистки поверхности от частиц, можно создать кольцеобразную конфигурацию.
Ученые также отмечают, что установка толщины слоя несущей жидкости позволяет управлять архитектурой конечного узора путем создания одно- или многослойных структур. Возможность манипулировать частицами не только за счет нагрева несущей среды, но и за счет понижения ее температуры открывает большие перспективы для применения предлагаемого метода в биологических исследованиях и медицине, где важно не разрушать термически живые объекты.
Дальнейшие исследования физиков направлены на отработку метода создания структур необходимой морфологии, состоящих из биологических объектов, таких, как живые клетки и бактерии в питательной среде. Ученые ожидают, что этот метод может быть использован в качестве мощного инструмента для создания искусственных биологических тканей органов или инструмента для изучения бактерий. Работа была поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований.
