Микрочастицы научили разбегаться под действием лазера

Международный коллектив ученых из Германии и России создал необычный метод управления микро- и наночастицами при помощи фотоиндуцированного диффузиосмоса: течения жидкости под действием перепада концентрации вблизи заряженных поверхностей. Работа опубликована в Scientific Reports.
Управление микро- и нанообъектами уже долгое время остается одной из наиболее бурно развивающихся областей в современной физической химии, что во многом обусловлено интересом к адресной доставке лекарств, «наноконтейнерам» для химических реакций и созданием микрофлюидных устройств. Однако в этой области существуют и более простые на первый взгляд проблемы, которые до сих пор не имеют решения. Например, в «микромире» все еще нет устройства, которое могло бы заменить щетку для очистки поверхностей от пыли. Если речь идет о деликатном и дорогостоящем полупроводниковом кристалле, то его очистка от мелких загрязнений оказывается серьезной и сложной задачей.

Авторы новой работы предложили «мягкий» способ очистки таких поверхностей, для которого требуется только лазер и раствор специального поверхностно-активного вещества (ПАВ), чувствительного к свету с определенной длиной волны. Такой ПАВ практически не отличается от обычного мыла, но за счет специальной химической (азобензильной) группы способен менять свою конформацию под действием света, таким образом переключаясь из формы, напоминающей палочку, в состояние «буквы Г».

Если раствор такого ПАВ осветить лазером, то молекулы, попавшие в световое пятно, поменяют свою конформацию, что приведет к появлению градиента концентрации молекул в разных состояниях. В обычном случае это вызовет очень медленное диффузионное движение, однако вблизи заряженной поверхности в дело также включается гидродинамика и электростатика, которые вместе обеспечивают возникновение диффузиоосмотического течения. Этот необычный эффект объясняется тем, что вблизи любой заряженной стенки возникает небольшой слой ионов, компенсирующих заряд поверхности. Если же в системе дополнительно есть градиент концентрации этих ионов, то толщина компенсирующего слоя оказывается неравномерной, что вызывает перепад давления и, как следствие, течение жидкости.

Авторы проводили эксперимент с микрочастицами, лежащими на поверхности, которую требовалось очистить. При включении ультрафиолетового лазера частицы быстро разбегались из светового пятна, увлекаемые диффузиоосмотическим течением. Однако наблюдался и обратный эффект — если на систему посветить зеленым лазером, молекулы ПАВ обратно меняли свою конформацию, вновь возникал градиент концентрации, но теперь частицы стягивались внутрь светового пятна.

Помимо решения задачи о мягкой очистке поверхностей авторы нашли и несколько необычных применений для новой системы. Например, они нарисовали лазером несколько картинок: на равномерной суспензии частиц хорошо видно след лазера, в котором частиц или гораздо больше, или гораздо меньше, чем вокруг.