Американские ученые разработали новый тип жидкостной мембраны, которая разделяет по размеру частицы размером от долей миллиметра до нескольких сантиметров. Эта мембрана представляет собой водную пленку с добавлением поверхностно-активного вещества и пропускает сквозь себя большие частицы, задерживая при этом маленькие. Использовать такое устройство можно не только для сортировки частиц, но также в качестве барьера от пыли и мелких насекомых или при проведении открытых хирургических операций, пишут ученые в Science Advances.

Разделение твердых частиц по размерам и массе — важная задача в очень большом количестве технологических процессов: от очистки воды до медицинского анализа. Самый простой подход для такой сортировки — создание твердых фильтрующих мембран с порами определенного размера. Такие системы действительно эффективны, но имеют ряд недостатков. Во-первых, при фильтрации частиц небольшого размера они заметно ограничивают скорость потока фильтруемой среды. Во-вторых, такие мембраны всегда работают только в одном режиме: большие и тяжелые частицы задерживаются на мембране, а маленькие — проходят сквозь нее. В тех ситуациях, когда необходимо фильтровать большие объемы жидкости или удерживать на мембране мелкие частицы, приходится либо прибегать к принципиально другим методам (например, разделению частиц по их гидродинамическим свойствам, поверхностному заряду или магнитным характеристикам), либо придумывать новые типы фильтров.

Например, для удерживания мелких и пропускания крупных объектов американские химики под руководством Вон Так-Сина (Tak-Sing Wong) из Университета штата Пенсильвания предложили использовать жидкостную мембрану, способную после прохождения каждой частицы полностью восстанавливать форму. Эта мембрана представляет собой тонкую пленку, состоящую из двух компонентов: основной жидкой среды и поверхностно-активного вещества. Основная задача при создании такой мембраны — подобрать состав таким образом, чтобы у жидкости оказалось нужное поверхностное натяжение. В данном случае ученые использовали для этого простую деионизированную воду, в которую добавили додецилсульфат натрия в качестве поверхностно-активного вещества. Концентрацию додецилсульфата в воде варьировали таким образом, чтобы поверхностное натяжение менялось от 35 до 72 миллиньютонов на метр.

Для создания мембраны пленку этого раствора растягивали внутри алюминиевого кольца диаметром около одного сантиметра. Чтобы оценить, как сквозь эту мембрану будут проходить разные частицы, на нее бросали шарики диаметром от доли миллиметра до нескольких сантиметров так, чтобы скорость шариков при столкновении с жидкостью была не более двух метров в секунду. Оказалось, что эта пленка не пропускает сквозь себя маленькие частицы размером не более нескольких миллиметров (эти частицы остаются лежать на ней), но при этом дает пройти сквозь себя тяжелым шарикам, после этого полностью восстанавливаясь . Пороговый размер составил 3–4 миллиметра для пленок и менялся в зависимости от поверхностного натяжения. Кроме того, итоговый результат — пройдет частица сквозь пленку или нет — зависел от состава поверхности шарика (то есть его гидрофильности) и от его скорости. Поэтому варьируя эти три параметра, можно сдвигать порог. А вот вязкость жидкости, как оказалось, на пропускание частиц практически не влияет.

Наиболее очевидное применение такой мембраны — отделение больших частиц от маленьких. Тем не менее, использовать такие пленки можно и для других целей. Например, из такой пленки можно сделать устройство для защиты от пыли или мелких насекомых — маленькие мошки не пролетают сквозь нее, застревая в воде. А вот пчелы или шмели этот барьер вполне могут преодолеть.

Мембрана как средство защиты от мелких насекомых. Birgitt Boschitsch Stogin et al./ Science Advances, 2018

Кроме того, такую мембрану можно использовать для сбора мелких частиц и самоочистки: поскольку поверхность жидкости подвижная, то те частицы, которые не пролетают сквозь нее, постепенно прибивает к одной из стенок, откуда их можно собрать и удалить.

Мембрана как устройство для сбора мелких частиц. Birgitt Boschitsch Stogin et al./ Science Advances, 2018

Помимо этого, по словам ученых, такую же пленку можно применять и для защиты от загрязнений при проведении открытых хирургических операций. Скальпель или пинцет вполне могут проходить сквозь пленку, не разрушая ее, но при этом мембрана препятствует попаданию на оперируемые мягкие ткани грязи.

Модельная операция на мягких тканях, которую проводили сквозь жидкостную мембрану. Скорость увеличена в четыре раза. Birgitt Boschitsch Stogin et al./ Science Advances, 2018

Еще одно возможное применение такой мембраны — защита от неприятного запаха. Как и мелкие частицы, отдельные молекулы газа не проходят сквозь эту мембрану, поэтому использовать ее можно, например, в системах для сбора и хранения отходов или в туалетах.

По словам авторов работы, такой широкий спектр возможных применений этой простой мембраны делает ее крайне перспективной для медицинских, научных и различных технологических задач. При этом, однако, важно учитывать время работы системы — поскольку жидкость постоянно испаряется, ее нужно присоединять к резервуарам с водой — это позволит использовать пленку, которая постоянно испытывает механическое воздействие, в течение трех часов.

Другой популярный метод для разделения частиц с использованием жидкостей — микрофлюидная сортировка. В тонких каналах толщиной всего в несколько десятков микрометров частицы можно делить по их размеру (например, с помощью эффекта электроосмоса) или форме (например, с использованием магнитного поля).

Автор: Александр Дубов