Группа российских исследователей под руководством профессора МГУ и заведующей лабораторией ИФХЭ им. А.Н. Фрумкина РАН Ольги Виноградовой разработала теорию, которая по-новому описывает ситуацию с транспортом жидкости, текущей вдоль поверхности под воздействием электрического поля. Полученные результаты в будущем смогут быть использованы в научных исследованиях в физике, химии и биологии, а также во множестве практических приложений, включая медицину и фармацевтику. Статья о работе была опубликована в последнем номере одного из лучших мировых журналов по физике — Physical Review Letters (импакт-фактор — 7,8).
Течение жидкости под действием электрического поля через капилляр, пористую преграду или, как в данном случае, в тонком канале носит название «электроосмос».
Этот эффект был открыт еще в 1807 году профессором Московского университета, уроженцем Германии Фердинандом Рейсом (Фердинанд Рейс родился в Тюбингене) в ходе довольно простого эксперимента.
В изогнутую стеклянную трубку наливалась вода, а изгиб трубки заполнялся порошкообразным нерастворимым веществом (тертым камнем или песком), так что между обоими коленами трубки получалась пористая перегородка. Когда же к воде в коленах подавалось напряжение, она начинала через эту перегородку просачиваться.
Связанное с электроосмосом явление движения твердых частиц в жидкости под влиянием электрического поля было названо электрофорезом.
Простота эффекта скрывала за собой довольно сложную физику, в которой ученым удалось разобраться лишь век спустя, когда польский физик Мариан Смолуховский в 1909 году смог теоретически описать процесс электроосмоса. В течение следующего века никто его теорию сомнению не подвергал, и только сейчас выясняется, что это лишь частный случай более общей теории, применимый только тогда, когда жидкость течет вдоль гидрофильной, т.е. хорошо смачиваемой, поверхности, где следует учитывать (что Смолуховский и сделал) эффект прилипания жидкости. Теперь выясняется, что в случае с гидрофобной, т.е. плохо смачиваемой, поверхностью нужно учитывать совершенно другое.
Выяснилась эта маленькая подробность как нельзя вовремя, в момент расцвета новых наук — микро- и нанофлюидики, имеющих дело с течением жидкости сквозь очень тонкие каналы.
Через сверхтонкие каналы очень сложно организовывать течения с помощью механического воздействия, например создавая перепад давлений, который должен быть несообразно мощным. Если насос заменить небольшой батарейкой, то в сверхтонком канале можно создать быстрое электроосмотическое течение.
Волей-неволей физикам пришлось подвергнуть сомнению догмы доброй старой гидродинамики.
Авторы статьи, которыми помимо Ольги Виноградовой являются еще молодые ученые с физического факультета МГУ Салим Мадуар и Алексей Беляев, показали теоретически и подтвердили в компьютерном эксперименте, что при количественном описании течений в электрических полях вдоль гидрофобной поверхности следует учитывать не граничное условие прилипания жидкости, использованное Смолуховским, а наоборот, электрогидродинамическое условие скольжения. Такой поворот сразу изменил картину происходящего.
Около заряженной поверхности в растворе образуется облако ионов противоположного знака, которое и является причиной возникновения электроосмотического течения. Здесь возможны два варианта — когда поверхностные заряды неподвижны и когда они могут перемещаться вдоль поверхности под воздействием приложенного электрического поля. В случае с неподвижными зарядами все относительно просто: благодаря гидрофобному скольжению скорость электроосмотического течения увеличивается. Когда же поверхностный заряд способен реагировать на приложенное электрическое поле, возникает, утверждают ученые, масса вариантов, порой совершенно неожиданных. Например, в статье показано, что можно индуцировать электроосмотическое течение даже вблизи незаряженной поверхности или, наоборот, полностью подавить такое течение в каналах с идеально скользкими заряженными стенками.
Главным действующим лицом теории Смолуховского был так называемый дзета-потенциал, физико-химический параметр, рассчитываемый по специальной формуле и говорящий, в частности, о степени электроосмотической и электрофоретической подвижности: чем выше дзета-потенциал, тем быстрее течение жидкости или движение частицы. До недавнего времени считалось, что фактически дзета-потенциал равен потенциалу поверхности твердого тела на границе с жидкостью.
В новой теории герой остался прежним, однако его интерпретация существенно усложнилась.
«В теории Смолуховского предполагается, что дзета-потенциал равен потенциалу самой поверхности и не зависит от других поверхностей, которые находятся рядом, — утверждает Виноградова. — Эти выводы являются следствием классического гидродинамического условия прилипания жидкости к твердому телу. В нашей статье показано, что в случае гидрофобных поверхностей это не так из-за того, что гидрофобная поверхность скользкая, а ассоциированные со скользкой поверхностью ионы могут реагировать на электрическое поле».
Теперь дзета-потенциал оказался связан также с параметрами, характеризующими подвижность поверхностных зарядов и гидродинамическое скольжение на поверхности, и даже получил дополнительную зависимость от возможного близкого присутствия другой поверхности.
Жизнь с новой теорией стала сложнее, но понятнее.
Так, эта теория позволила сразу разрешить несколько парадоксов, многие годы остававшихся под большим знаком вопроса. Например, она позволила объяснить результаты измерений дзета-потенциала пузырьков и капель.
«Эти измерения давно и неизменно показывали, что их дзета-потенциалы такие же, как у твердого тела, — говорит Ольга Виноградова. — Это объяснялось, в частности, наличием загрязнений на поверхности пузырьков и капель. Мы показали, что загрязнения здесь ни при чем и что дзета-потенциал в данном случае действительно совпадает с дзета-потенциалом твердого тела, но уже совсем по другим причинам».
Теория также помогла понять вызывавшие жаркие споры электроосмотические течения в пенных пленках.
Возможные практические применения новой теории, по мнению Виноградовой, весьма обширны, хотя бы по той причине, что концепция дзета-потенциала широко используется во многих областях науки и техники, таких, например, как медицина, фармацевтика, обогащение полезных ископаемых, водоочистка, очистка почв от загрязнений и многое другое. Новая интерпретация этого параметра позволит лучше понимать результаты его экспериментальных измерений, она позволит также управлять его величиной. Особенно перспективно использование новой теории в области микро- и нанофлюидики, например для дизайна устройств «лаборатория на чипе» и нанофлюидных диодов, уже используемых как для распознавания и разделения биомолекул, так и для конверсии энергии.
«Но, разумеется, путь от новой теории к практическим применениям всегда очень долог, — утверждает Виноградова. — Полагаю, первыми, кто будет использовать наши результаты, окажутся экспериментаторы».