聚合物水凝胶涂层对玻璃微管毛细管作用的影响

一组研究人员佐治亚理工学院(佐治亚理工学院)已经发现，在玻璃微管内部涂上一种智能聚合物水凝胶材料，显著改变了毛细管作用将水吸入这些小结构的方式。

通过毛细作用，水和其他液体被吸入有限的空间，如吸管、管子、纸巾和灯芯，通过简单的流体力学分析就可以预测流速。然而，最新的研究将重新定义这些条件的预测，水凝胶薄膜覆盖在运输水基液体的狭窄玻璃管内部。这项研究由美国空军科学研究办公室(AFOSR)通过佐治亚理工学院的仿生中心赞助，已发表在《软物质》杂志上。

与传统的预期不同，水基液体会滑动到管道中的一个新位置，被卡，然后再次滑动——这个过程不断重复。不同于填充管道的液体渗透速度随时间减慢，水以几乎恒定的速度传播到水凝胶包覆的毛细管中。这与我们所期望的大不相同。

安德烈Fedorov他是佐治亚理工学院乔治·w·伍德拉夫机械工程学院的教授

当薄壁玻璃管开口接触到水滴时，液体开始在管内流动，由于液体与管壁之间的粘附以及液体的表面张力而被吸引。一个弯曲的水面在水柱的外围也被称为半月板，领先的方式。通过毛细力，标准硼硅酸盐玻璃管填充速度缓慢下降，半月板传播速度逐渐下降作为平方根时间。然而，当管道内部涂上一层薄薄的聚(n -异丙基丙烯酰胺)层时，就会发生完全的转变，这是一种智能聚合物(PNIPAM)。

此外，当水在管内流动时(管内覆盖着一层干燥的水凝胶膜)，它应该首先湿润膜，使膜膨胀，然后才能继续往下流。这种润湿和膨胀过程不是连续发生的，而是以不同的步骤发生的，其中水弯月面首先粘附，随着聚合物层局部变形，其运动停止。半月板快速滑动一小段距离，然后再次开始。通过这种粘滑现象，水被强制以循序渐进的方式进入管子。

研究小组测量了涂层管内的流速，结果发现，与未涂层管内的流速相比，流速减少了3个数量级。取代了传统的二次方程来说明无涂层管的填充，线性方程说明了填充过程的时间依赖性。

不是在百分之一秒内充满毛细血管，它可能需要几十秒才能充满同一根毛细血管。虽然水凝胶在与水接触时会有一定的膨胀，但由于水凝胶层的厚度较小，管径的变化可以忽略不计。这就是为什么当我们第一次在实验中观察到文件归档过程如此缓慢时，我们感到如此惊讶。

Fedorov

由高级研究工程师彼得·科特基和研究生德鲁·罗尼、伦·格里亚克和詹姆斯·席尔瓦组成的研究小组再次利用甘油进行了实验，甘油是一种不会被水凝胶吸收的液体。有了这种液体，毛细管作用通过水凝胶包覆的微管继续进行，这与传统理论中未包覆的微管类似。在使用高分辨率光学可视化技术分析半月板传播的同时，聚合物层膨胀，研究团队最终发现，这种独特的行为可以得到很好的应用。

当材料小于某一特定亚博网站下载的转变温度时，水就会被水凝胶吸收。当材料加热亚博网站下载超过这个温度时，它们就会停止吸水。这防止了微管中的粘滑过程，使它们能够像标准管一样工作。这种随温度变化而改变粘滑现象的能力，可能为微流体仪器(如片上实验室)中水基液体的流量调节提供了一种新方法。还可以改变水凝胶的化学组成来控制转变温度。

通过在微流体腔内局部加热或冷却聚合物，你可以加速填充过程或减慢填充过程。液体移动相同距离所花费的时间可以变化到三个数量级。这将允许精确控制流体的流动，使用外部刺激改变聚合物膜的行为。

Fedorov

冷却/加热过程可以使用小型加热器、激光或安装在微流体装置某些区域的热电系统来进行。这将在微流控装置中促进一系列慢和快反应，或通过调节反应物输送和产物去除的速度来促进准确的反应时间。另一个关键应用是药物控释，分子传递的首选速率可以随时间调整，以实现更好的治疗效果。

在未来的研究中，研究人员打算更好地了解水凝胶改变的毛细血管的物理特性，并利用部分透明的微管来探索毛细血管流动。他们也研究其他智能聚合物,它修改流率对不同形式的刺激,如机械应力的感应,暴露在电磁辐射下,液体的博士所有的这些变化可能会改变一个特定的水凝胶的性质发展应对这些触发器。

这些实验和理论结果为软的、动态演化的聚合物界面限制液体运动提供了一个新的概念框架，在该界面中，系统通过弹性-毛细管变形创造了一个能量势垒来进一步运动，然后通过扩散软化降低势垒。这一见解对基于刺激响应智能聚合物的微流体和芯片上实验室设备的优化设计具有启示意义。

该研究小组还包括空军研究实验室(AFRL)纳米结构和生物材料分支的生物技术领导和技术顾问Rajesh Naik和佐治亚理工学院材料科学与工程学院的Vladimir Tsukruk教授。亚博网站下载亚博老虎机网登录

空军科学研究仿生中心办公室通过FA9550-09-1-0162和FA9550-14-1-0269奖、AFOSR奖FA-9550-14-1-0015和乔治亚理工学院可再生生物制品研究所奖学金支持这项研究。

参考文献

• 智能水凝胶涂层实现毛细管作用的“粘滑”控制