Реализован ключевой элемент оптофлюидных устройств

Рис. 1. Схема лаборатории на чипе для автоматизированного анализа крови. Изображение из статьи Чарлза Чоя «Большая лаборатория в маленьком чипе» // «В мире науки», №1, 2008

Французские физики научились создавать с помощью света длинные и тонкие жидкие оптоволокна. Это большой шаг на пути к созданию сложных оптофлюидных устройств — симбиозов оптики и микрофлюидики.

Устройства, выполняющие механические действия по команде компьютера, — роботы — давно стали частью нашей жизни. Многопрограммные стиральные машины, автоматизированные производственные линии на предприятиях, межпланетный аппарат Феникс, копающийся в марсианском грунте...

А можно ли сделать жидкого робота? Представьте себе маленькую герметичную коробочку, наполненную различными жидкостями. К ней подходят электрические кабели и трубки, подводящие и отводящие жидкости. Под действием сигналов с компьютера в этой коробочке жидкости перетекают туда-сюда, смешиваются или, наоборот, разделяются на фракции, вступают в химические реакции и т. д. Эту коробочку можно считать настоящим «жидким роботом», правда, конечно, не антропоморфным. Разработкой и изучением таких устройств занимается специальный раздел гидродинамики — микрофлюидика.

Главная область применения таких устройств — автоматизация химических и биохимических работ. Как обычный компьютер может заменить собой толпу людей, складывающих и умножающих числа вручную, так же и микрофлюидное устройство призвано заменить ученого, переливающего растворы из одной пробирки в другую и анализирующего полученную смесь (см. пример на рис. 1). Такие «лаборатории на чипе» уже вовсю используются исследователями (есть даже научный журнал Lab on a chip), а некоторые образцы уже даже появились в продаже. Кстати, недавняя работа по экспериментальному наблюдению дарвиновской эволюции в размножающихся молекулах РНК тоже проводилась внутри микрофлюидного устройства.

В последние годы в микрофлюидике возникло новое направление исследований — оптофлюидика, симбиоз оптики и микрофлюидики. Свет в отпофлюидном устройстве может не только служить инструментом наблюдения (как это происходит, например, в оптофлюидном микроскопе), но и принимать непосредственное участие в его работе — например, управляя микропотоками жидкости, которые в свою очередь отклоняют и фокусируют лазерный луч. Гибкость и быстрота управления делают оптофлюидные устройства даже более перспективными, чем обычные микрофлюидные.

Если базовым элементом обычного робота является, условно говоря, «рука с моторчиком», то для оптофлюидного устройства таким элементом будет динамическое «жидкое оптоволокно» — тонкий столбик жидкости, образующийся под действием света и проводящий световой луч туда, куда нужно, наподобие обычного оптоволокна. Для того чтобы минимизировать действие силы тяжести, обычно берут две несмешивающихся жидкости чуть отличающейся плотности. В обычных условиях менее плотная жидкость просто лежит поверх более плотной, но если посветить сверху лазером, то свет может «продавить» границу раздела жидкостей и создать нужный столбик одной жидкости внутри другой.

Такая простая схема наталкивается, однако, на одну трудность — жидкость не может сама по себе держать цилиндрическую форму. Цилиндр жидкости высотой, превышающей длину окружности, быстро разбивается на отдельные капли за счет сил поверхностного натяжения (это можно увидеть невооруженным глазом, проследив по дуге за кусочком водяной струи, бьющей из шланга).

Долгое время этого не удавалось решить эту проблему. Предлагались различные схемы стабилизации цилиндрических каналов жидкости, но максимум, чего удалось добиться, это удлинения цилиндров вдвое. В этой ситуации недавняя работа французских физиков, опубликованная в журнале Physical Review Letters, стала большим шагом вперед. В ней сообщается о создании устойчивых (по крайней мере в течение нескольких минут) жидких оптоволокон длиной до сотни (!) диаметров за счет стабилизации канала тем же самым лазерным лучом, который его и создает.

Рис. 2. Схема эксперимента и фотография жидкого оптоволокна, возникшего под действием света. Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

На рис. 2 показана схема эксперимента, проведенного исследователями, и фотография возникшего под действием света жидкого оптоволокна. Кюветка высотой 1 мм наполнялась смесью толуола, додецилсульфата натрия, n-бутанола и воды в определенных пропорциях. При нагреве до 35°C эта смесь распадалась на две жидкие фазы с разной концентрацией воды. Более тяжелая фаза располагалась внизу, более легкая — вверху, и, поскольку они обладали разными коэффициентом преломления (причем больший коэффициент преломления был у верхней жидкости), между ними образовывалась хорошо заметная граница раздела. Более легкая фаза, кстати, полностью смачивала стенки кюветки.

Через эту кюветку сверх вниз светили хорошо сфокусированным лазером (диаметр луча составлял всего несколько микрон) мощностью чуть меньше 1 Вт. Этот лазер продавливал границу раздела и создавал тонкий канал более легкой жидкости внутри более плотной, по которому лазерный луч и распространялся. От распада на капли этот длинный канал удерживало световое давление лазерного луча внутри, который не мог выйти наружу из-за полного внутреннего отражения.

Варьируя детали эксперимента, ученые сделали ряд интересных наблюдений. Если лазерный луч достаточно тонок, то образуется жидкое оптоволокно строго постоянного диаметра — диаметр не меняется ни с течением времени, ни вдоль длины канала. Однако если лазер чуть расфокусировать, то происходит интересная вещь. Диаметр цилиндрического канала перестает быть фиксированным и начинает скачкообразно меняться между двумя значениями (при диаметре луча 7 микрон диаметр канала прыгает между 10 и 12 микронами).

Авторы говорят, что такое поведение неудивительно. Они построили теоретическую модель устойчивости канала и выяснили, что для более широкого лазерного луча существует несколько решений уравнений, отвечающих устойчивым каналам разной толщины. Наблюдаемые скачки как раз и отвечают переходу от одного решения к другому под действием случайных флуктуаций.

Таким образом, открыта прямая дорога на пути к конструированию сложных и функционально-гибких оптофлюидных устройств. Теперь можно пытаться сделать каналы сложной формы, исследовать взаимодействие между несколькими каналами, смотреть, как канал ведет себя в поперечном потоке жидкости, и многое другое. Будущее покажет, какое практическое применение найдет эта новая технология.

Источник: E. Brasselet, R. Wunenburger, J.-P. Delville. Liquid Optical Fibers with a Multistable Core Actuated by Light Radiation Pressure // Phys. Rev. Lett. 101, 014501 (30 June 2008).

Игорь Иванов