聚合物水凝胶涂层对玻璃微管毛细管作用的影响

一个研究人员团队格鲁吉亚理工学院(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.是乔治亚州理工学院乔治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，当水在管内移动时，其内部涂有干燥水凝胶膜，它应该首先润湿薄膜，使得薄膜膨胀在它可以沿着沿着管延长。这种润湿和膨胀过程不会连续发生，而是用不同的步骤进行，其中水弯月面首先粘附，当聚合物层局部变形时，其运动停止。在进程再次启动之前，弯月面速度很快才能达到较小的距离。通过这种粘滑现象，水被迫以逐步的方式进入管。

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.

其中包括高级研究工程师Peter Kottke和Graduate学生Drew Loney，Ren Geryak和James Silva的研究组再次通过使用甘油，一种不被水凝胶吸收的液体进行实验。用这种液体，毛细血管作用继续通过与传统理论相似的水凝胶涂覆的微管。在使用高分辨率光学可视化以分析弯月面传播之后，在膨胀的聚合物层中，研究团队最终发现这种独特的行为可以良好使用。

当材料小于特定的转欧洲杯足球竞彩变温度时，水被水凝胶吸收。当材料在该欧洲杯足球竞彩温度上加热时，它们会停止吸水。这可以防止微管中的粘滑过程，并使它们能够表现出标准管。这种改变温度的防滑现象的能力可以提出一种新的方法来调节微流体仪器中的水基液体的流速，例如芯片的实验室。水凝胶的化学组合物也可以改变以控制过渡温度。

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/加热过程可以使用安装在微流体装置的某些区域的小加热器，激光器或热电系统进行。这将促进微流体装置中的一系列缓慢和快速反应，或者通过调节反应物输送和产物去除的速度来促进反应的精确时机。然而，可以控制药物释放的另一个关键应用，其中可以随时间调节分子递送的优选速率以实现改善的治疗结果。

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液体运动提供了一种新的概念框架，用于通过软，动态演化的聚合物界面限制，其中系统通过弹性毛细变形进一步运动的能量屏障，然后通过扩散软化来降低屏障。这种洞察力对基于刺激响应智能聚合物的微流体和实验室装置的最佳设计有影响。

该研究组还包括空军研究实验室（AFRL）纳米结构和生物材料分支的Rajesh Naik，生物技术领导和技术顾问，以及来自格鲁吉亚材料科学与工程学院的Vladimir Tsukruk教授。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球

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

• 智能水凝胶涂层实现毛细管作用的“粘滑”控制