Pesquisadores do Instituto Nano da Universidade de Sydney e da Escola de Química revelaram que pequenas bolhas de gás – nanobolhas com apenas 100 bilionésimos de metro de altura – se formam em superfícies em situações inesperadas, fornecendo uma nova maneira de reduzir o arrasto em dispositivos de pequena escala.
O arrasto do líquido dentro dos microdispositivos pode levar a incrustações internas (acúmulo de materiais biológicos indesejados) ou danificar amostras biológicas, como células, devido à alta pressão. Assim, a descoberta pode abrir caminho para o desenvolvimento de melhores ferramentas de diagnóstico médico, como dispositivos lab-on-a-chip que realizam análises de DNA ou são usados ​​para detecção biomédica de patógenos de doenças.

A equipe, liderada pela professora Chiara Neto, desenvolveu revestimentos enrugados de nanoengenharia que reduzem o arrasto em até 38% em comparação com superfícies sólidas nominalmente 'lisas'. Os revestimentos escorregadios, uma vez infundidos com um lubrificante, também são altamente resistentes à bioincrustação.

Usando microscopia de força atômica - um microscópio de varredura de altíssima resolução - a equipe descobriu que os fluidos que passam por canais microestruturados com essas superfícies eram capazes de deslizar com menor atrito devido à formação espontânea de nanobolhas, um fenômeno nunca antes descrito .

Os resultados são publicados esta semana em Nature Communications .

Potencial aplicação médica

Muitas ferramentas de diagnóstico médico dependem da análise em pequena escala de pequenas quantidades de materiais biológicos e outros em forma líquida. Esses 'dispositivos microfluídicos' usam microcanais e microrreatores nos quais as reações geralmente feitas em larga escala em um laboratório de química ou patologia são conduzidas em escala miniaturizada.

A análise de volumes muito menores de material permite diagnósticos mais rápidos e eficientes. No entanto, o problema com dispositivos microfluídicos é que o fluxo de fluido é drasticamente desacelerado pelo atrito do líquido com as paredes sólidas dos canais, criando um grande arrasto hidrodinâmico. Para superar isso, os dispositivos aplicam altas pressões para impulsionar o fluxo.

Por sua vez, a alta pressão dentro desses dispositivos não é apenas ineficiente, mas também pode danificar amostras delicadas no dispositivo, como células e outros materiais macios. Além disso, as paredes sólidas são facilmente contaminadas por moléculas biológicas ou bactérias, levando à rápida degradação por meio de bioincrustação.

Uma solução para ambos os problemas é o uso de superfícies nas quais os poros em nanoescala retêm pequenas quantidades de um lubrificante, formando uma interface líquida escorregadia, que reduz o arrasto hidrodinâmico e evita a bioincrustação da superfície.

Com efeito, as superfícies infundidas com líquido substituem a parede sólida por uma parede líquida, permitindo o escoamento de um segundo líquido com menor atrito, exigindo menor pressão. No entanto, o mecanismo pelo qual essas superfícies com infusão de líquido funcionam não foi compreendido, pois a redução do atrito que essas superfícies oferecem foi relatada como 50 vezes maior do que seria esperado com base na teoria.

Nanobolhas para o resgate?

O professor Neto e sua equipe descreveram como formaram paredes com infusão de líquido em seus dispositivos microfluídicos, desenvolvendo revestimentos enrugados de nanoengenharia que reduzem o arrasto em até 38% em comparação com paredes sólidas. A equipe inclui:Ph.D. o estudante Chris Vega-Sánchez, cujo trabalho nos últimos três anos se concentrou em microfluídica; Dr. Sam Peppou-Chapman, especialista em superfícies com infusão de líquidos; e Dr. Liwen Zhu, especialista em microscopia de força atômica, que dá aos cientistas a capacidade de ver até um bilionésimo de metro.

Conduzindo medições microfluídicas, a equipe revelou que as novas superfícies escorregadias reduziram o arrasto em relação às superfícies sólidas em um grau que seria esperado apenas se a superfície fosse infundida com ar em vez de um lubrificante viscoso. Não satisfeita com a redução bem-sucedida do arrasto, a equipe trabalhou para demonstrar o mecanismo pelo qual as superfícies induziam o deslizamento.

Eles fizeram isso digitalizando as superfícies debaixo d'água usando microscopia de força atômica, permitindo-lhes visualizar a formação espontânea de nanobolhas, a apenas 100 nanômetros de altura na superfície. Sua presença explica quantitativamente o enorme deslizamento observado no fluxo microfluídico.

Parte do trabalho de microscopia foi feito usando as instalações do Centro Australiano de Microscopia e Microanálise da Universidade de Sydney.

O professor Neto disse:"Queremos entender o mecanismo fundamental pelo qual essas superfícies funcionam e ampliar os limites de sua aplicação, especialmente para eficiência energética. Agora que sabemos por que essas superfícies são escorregadias e reduzem o arrasto, podemos projetá-las especificamente para minimizar a energia necessária para conduzir o fluxo em geometrias confinadas e reduzir a incrustação." + Explorar mais

A superfície escorregadia com infusão de líquido tem um desempenho melhor do que a superfície super-hidrofóbica na resistência à corrosão a longo prazo