Возможности новой композитной поверхности FLIPS

25 июня 2018



Международная команда ученых-материаловедов, возглавляемая Гарвардским университетом, разработала динамично изменяющуюся поверхность с реконфигурируемой топографией, которая может скульптурироваться и рескульптурироваться на микроуровне в зависимости от ее близости к магнитному полю, что ведет к изменению ее макромасштабных характеристик. Например, поверхность таким образом изменяет способность к трению и скольжению, а также другие свои свойства.

FlIPS может направлять движение микроскопических объектов и капель.

Превращая магнитную жидкость в твердый магнетик, исследователи продемонстрировали, как поверхность может быть использована для управления движением и группировкой микромасштабных частиц, для регулирования потока и смешивания капель миллиметрового размера или включения и выключения свойства адгезивности в макромасштабе. «Многофункциональные материалы, способные выполнять различные задачи, являются новой перспективной областью исследований», — сказала старший автор статьи Джоанна Айзенберг, профессор материаловедения, профессор химии и химической биологии в Школе инженерии и прикладных наук Гарварда Джона А. Полсона. Продемонстрированные применения — новые формы самообразования обратимых, иерархических частиц, манипуляции и перенос немагнитной материи в магнитном поле с помощью гидродинамических сил, вызванных топографией, точно синхронизированные химические реакции и перезаписываемая пространственная адресация направленной адгезии, трения и удаления биопленки — всего лишь небольшая репрезентативная выборка возможностей, которые открывает для воображения новая концепция«. Айзенберг также является основным членом The Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering (буквально «институт инженерии, вдохновленной биологией») в Гарвардском университете. И исследование, опубликованное в Nature, было результатом междисциплинарного сотрудничества между химиками, физиками, механиками, материаловедами, прикладными математиками и морскими биологами.

Новую поверхность сокращенно называют FLIPS, (аббревиатура от Ferrofluid-containing liquid-infused porous surfaces — насыщенная феррофлюид-содержащей магнитной жидкостью пористая поверхность). FLIPS представляет собой композитную поверхность, состоящую из двух отдельных частей: микроструктурированной твердой подложки и феррожидкости, состоящей из магнитных частиц, взвешенных в жидкости. Без магнитного поля поверхность плоская, гладкая и ровная. Но когда применяется магнитное поле, феррожидкость реагирует, приобретая форму твердой подложки. Комбинация структурированной твердой основы с чувствительной жидкостью позволяет бесконечно перезаписывать поверхность, это своего рода динамический Etch-a-Sketch (детская развивающая игра «Волшебный экран») с реконфигурируемым рисунком, направленным трением, адгезией и т. д. Конкретные топографические паттерны поверхности могут быть точно настроены на микронный, миллиметровый и сантиметровый масштабы, путем контролирования свойств феррожидкости, геометрии подложки, силы магнитного поля и расстояния от магнитов до FLIPS. Столь высокий уровень настраиваемости дает широкие возможности применения данной поверхности. FLIPS, например, способна:
• Направлять движение микроскопических объектов, таких как бактерии и коллоидные частицы, что будет полезно для микромасштабного производства и для исследования индивидуального и коллективного поведения подвижных микроорганизмов.
• Удалять биопленку, появляющуюся на ее поверхности.
• Покрывать капельки жидкости и, используя контролируемую топографию FLIPS, ограничивать их перемещение и замедлять смешивание для проведения точно синхронизированных химических реакций в мелкомасштабной диагностике.
• Обеспечивать непрерывную откачку жидкости в трубах (т.е. работать как насосы лабораторные).
• Создавать обратимую адгезию между двумя крупномасштабными объектами.

FLIPS совместима со всеми видами поверхностей, и может быть интегрирована с другими технологиями создания ультра-гладких покрытий. «Каждое из практических приложений FLIPS может быть дополнительно расширено», — сказал Вендонг Ванг, первый автор статьи. «Наши результаты показывают, что FLIPS позволяет добиться значительно большего разнообразия комбинаций функций и возможностей, чем поверхности, которые имеют простой одномасштабный топографический отклик. Это может стать платформой для многих будущих технологий».