W dniach 30 czerwca – 3 lipca 2026 r. w Warszawie odbyło się XXVI Spotkanie Ogólnopolskiego Klubu Demonstratorów Fizyki. Gospodarzem spotkania był Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej.
W czasie tego spotkania Laboratorium Litografii Nanotechu reprezentowane było przez Nataszę Gajdę oraz Karola Nogajewskiego.
Tytuł: O przepływach w mikroskali, czyli zabawy z kropelkami
Opis prezentacji:
Mikrofluidyka to dziedzina nauki, poświęcona przepływom cieczy i gazów w kanałach o wymiarach rzędu 10-100 µm. Na arenę badań wkroczyła w końcówce lat 70-tych XX w. Od tamtego czasu stała się płaszczyzną rozwoju dla miniaturowych układów o szeregu zastosowań, takich jak: szybkie sekwencjonowanie DNA, wczesne wykrywanie i identyfikacja patogenów i toksyn, badania stopnia zanieczyszczenia środowiska, detekcja pojedynczych molekuł czy modelowanie przepływów cieczy fizjologicznych w żywych organizmach. Warunki panujące wewnątrz układów mikrofluidycznych eksponują zjawiska i oddziaływania, które w makroskali są istotne jedynie na granicach pomiędzy różnymi ośrodkami, np. napięcie powierzchniowe czy siły kapilarne. Daje to zupełnie inny wgląd w wiele procesów fizycznych. Spośród nich chcielibyśmy bliżej przyjrzeć się emulgacji, czyli powstawaniu emulsji z dwóch niemieszających się ze sobą cieczy. W szczególności pokażemy, jak przy użyciu technik mikrofluidycznych kontrolować to zjawisko.
W czasie przygotowania pokazu wykorzystaliśmy następujące urządzenia dostępne w laboratoriach Nanotech:
- profilometr optyczny Rtec Instruments UP-2000,
- układ do bezmaskowej litografii laserowej Kloé Dilase 650,
a także aparaturę i akcesoria udostępnione dzięki uprzejmości dra inż. Tomasza Kamińskiego z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego
- odwrócony mikroskop optyczny Olympus CKX53,
- kamerę Photron FASTCAM Mini AX50 typ 170K-M-16GB-S,
- pompy strzykawkowe CETONI Nemesys S,
- wysokociśnieniowe strzykawki szklane marki Hamilton.
Historia zaczyna się w 2025 r., kiedy to skontaktował się z nami dr inż. Tomasz Kamiński z Wydziału Biologii naszego uniwersytetu. Poszukiwał on laboratorium, w którym razem ze swoimi współpracownikami mógłby wytwarzać kluczowe komponenty układów doświadczalnych, w jakich prowadzą swoje badania.
Grupa Tomasza Kamińskiego dysponowała grantem, w ramach którego możliwy był zakup nowych urządzeń technologicznych. Biolodzy nie dysponowali jednak przestrzenią laboratoryjną, która tym urządzeniom gwarantowałaby pracę w optymalnych warunkach. Połączyliśmy zatem siły i tak oto w naszym laboratorium pojawiła się nowa dziedzina, jaką jest mikrofluidyka.
W ramach grantu zostały zakupione 2 urządzenia. Jako pierwszy w naszym laboratorium pojawił się profilometr optyczny, a więc układ, który w oparciu o zjawisko interferencji światła, umożliwia badania topografii powierzchni z nanometrową rozdzielczością w kierunku pionowym.
Drugim urządzeniem jest natomiast układ do bezmaskowej litografii laserowej w zakresie UV, stanowiący doskonałe uzupełnienie możliwości, jakie do tej pory oferował posiadany już wcześniej w laboratorium układ do bezmaskowej litografii projekcyjnej.
Obydwa te urządzenia zostały zakupione z projektu, którego celem jest opracowanie szybkiej i multipleksowej metody oznaczania lekooporności bakterii za pomocą technologii mikroprzepływów kroplowych.
Szerokości kanałów mikrofluidycznych są tego samego rzędu wielkości co średnice ludzkich włosów. Wygląd typowych kanałów mikrofluidycznych pokazuje zdjęcie, które zostało wykonane skaningowym mikroskopem elektronowym.
Wytwarzanie układów mikrofluidycznych odbywa się najczęściej technikami tzw. miękkiej litografii, której uproszczony przebieg pokazany jest na schemacie. Na początku pokryte żywicą światłoczułą podłoże poddawane jest naświetleniu promieniowaniem UV przez maskę ze wzorem układu mikrofluidycznego. Ze względu na typowe rozmiary kanałów mikrofluidycznych, do ich wytwarzania wykorzystuje się żywice negatywowe, czyli takie, które po wywołaniu pozostają na podłożu w miejscach naświetlonych, gdzie wskutek kontaktu z promieniowaniem UV dochodzi do utwardzenia żywicy. Tak otrzymany negatyw układu mikrofluidycznego jest następnie zalewany odpowiednio grubą warstwą polimeru, najczęściej polidimetylosiloksanu, w skrócie PDMS. Po odgazowaniu w niskiej próżni i stężeniu, w warstwie tej powstaje replika formy z żywicy negatywowej, którą dzięki właściwościom lepkosprężystym PDMS można łatwo odczepić od podłoża. Z jednej formy można uzyskać bardzo wiele replik. Przedostatnim etapem jest zamknięcie kanałów mikrofluidycznych w warstwie PDMS czwartą ścianką, której rolę może pełnić np. druga warstwa PDMS, albo płaska powierzchnia szklana, krzemowa, czy kwarcowa. Finalny krok to wykonanie przepustów, które umożliwiają podłączenie do układu mikrofluidycznego rurek doprowadzających i odprowadzających płyny oraz przyłączy na inne akcesoria, np. światłowody. Nasi koledzy z Wydziału Biologii wykorzystują do tego celu tzw. sztance biopsyjne.
Technika wytwarzania urządzeń mikrofluidycznych za pomocą masek litograficznych dobrze sprawdza się w przypadku produkcji na masową skalę. Do badań o charakterze prototypowym dużo lepiej nadają się układy do litografii bezmaskowej, takie jak zakupiony niedawno do naszego laboratorium, w którym zapisany w pliku elektronicznym wzór jest naświetlany przez wiązkę laserową, pod którą porusza się pokryte żywicą podłoże.
Różnego rodzaju urządzenia mikrofluidyczne są wykorzystywane do wytwarzania emulsji, a więc układów złożonych z dwóch niemieszających się ze sobą płynów. W zastosowaniach makroskopowych precyzyjna kontrola rozmiarów i jednorodności kropel, które tworzą tak zwaną fazę rozproszoną w emulsji, na ogół nie jest konieczna. Zupełnie inaczej wygląda to w przypadku mikrofluidyki kroplowej, gdzie sterowanie przebiegiem procesu emulgacji, czyli powstawania emulsji, odgrywa kluczową rolę.
Jako przykład możemy podać tutaj badania kinetyki reakcji chemicznych, w których każda kropla, w jakiej dana reakcja zachodzi, pełni funkcję osobnego mikroreaktora. Zagwarantowanie, że krople mają ten sam rozmiar i objętość jest w takim przypadku niezbędne do zapewnienia, że reakcja w każdej z nich będzie przebiegała tak samo.
Wytwarzanie kropli w układach mikrofluidycznych odbywa się techniką nazywaną ogniskowaniem przepływu. Po raz pierwszy została ona zaproponowana nieco ponad 20 lat temu w urządzeniu przedstawionym na slajdzie. Składało się ono z trzech wejść, przewężenia i jednego wspólnego wyjścia. Do dwóch zewnętrznych kanałów wprowadzany był olej ze środkiem powierzchniowo czynnym, a centralnym kanałem wpływała woda, pełniąca funkcję fazy rozproszonej. Autorzy tej pracy pokazali, że w zależności od tego, jak dobierze się szybkość przepływu oleju i wody, można uzyskać krople o takich samych lub różnych rozmiarach, regulować ich średnicę, częstotliwość wytwarzania, a także zmieniać miejsce powstawania w urządzeniu.
W celu opisu fizycznego procesu wytwarzania kropel w złączach mikrofluidycznych, rozważmy złącze o następującej geometrii: bocznymi kanałami wprowadzana jest faza ciągła, a głównym kanałem z lewej strony faza rozproszona. Na początku warto zastanowić się, czym cechują się mikroprzepływy w takich kanałach. Okazuje się, że opisujące je liczby Reynoldsa, gdzie ρ oznacza gęstość płynu, U – szybkość, z jaką się porusza, η jest lepkością dynamiczną, a h to charakterystyczny wymiar kanału, przyjmują małe wartości. Wynika stąd, że są to przepływy laminarne, w których dominującą rolę odgrywają siły lepkości. Chcąc otrzymać wiarygodny model procesu wytwarzania kropel, a tym samym użyteczne wyniki opartych na nim symulacji, nie można jednak pominąć innych oddziaływań, tzn. ciśnienia wywieranego przez jedną fazę na drugą i napięcia powierzchniowego. Nie można zatem posługiwać się uproszczonymi równaniami ruchu płynów, tylko trzeba sięgnąć po pełne równania Naviera-Stokesa i rozwiązać je technikami numerycznymi.
Przykładowe wyniki takich obliczeń przedstawione zostały na rysunku, który pokazuje, jak zmienia się kształt kropel, częstotliwość ich wytwarzania oraz miejsce, w którym powstają w analizowanym złączu, w zależności od tego, jaką wartość ma napięcie powierzchniowe fazy rozproszonej.
Do przeprowadzenia pokazu posłużyliśmy się układem, przedstawionym na zdjęciu, wypożyczonym z Wydziału Biologii UW dzięki uprzejmości Tomasza Kamińskiego i jego grupy.
Obserwację tego, co działo się w kanałach urządzenia mikrofluidycznego, umożliwił nam odwrócony mikroskop optyczny. Jego obiektywy znajdują pod stolikiem, a obrazowanie odbywa się w świetle przechodzącym.
Do mikroskopu podłączona jest bardzo szybka kamera. Umożliwia ona rejestrowanie nawet 170 000 klatek na sekundę.
Chip mikrofluidyczny umieszczony został na stoliku mikroskopu, a od góry podłączono do niego cztery teflonowe rurki, spośród których trzy doprowadzały płyny do poszczególnych kanałów wejściowych, a jedna odprowadzała wynikową emulsję do plastikowej probówki.
Precyzyjne dozowanie płynów, którymi w naszym przypadku były: czysta woda, woda z dodatkiem barwnika spożywczego i perfluorowany olej, umożliwiały nam sterowane komputerowo pompy strzykawkowe.
Zabawę z kropelkami przedstawiają załączone poniżej filmy.
Film 1A. olej: 20 ul/min, woda: 1 ul/min, woda z barwnikiem: 1 ul/min, złącza
Film 1B. olej: 20 ul/min, woda: 1 ul/min, woda z barwnikiem: 1 ul/min, kanał wyjściowy
Film 2A. olej: 20 ul/min, woda: 10 ul/min, woda z barwnikiem: 10 ul/min, złącza
Film 2B. olej: 20 ul/min, woda: 1 ul/min, woda z barwnikiem: 1 ul/min, kanał wyjściowy
Film 3A. olej: 20 ul/min, woda: 30 ul/min, woda z barwnikiem: 10 ul/min, złącza
Film 3B. olej: 20 ul/min, woda: 30 ul/min, woda z barwnikiem: 10 ul/min, kanał wyjściowy
Na zdjęciu przedstawiamy przykład zaawansowanego urządzenia, zaprojektowanego, wykonanego i przetestowanego przez naszych kolegów z Wydziału Biologii. Głównym zastosowaniem tego konkretnego układu jest aktywna selekcja szczepów bakterii, które są zdolne do przetwarzania celulozy.
Szczegóły dotyczące urządzenia omawianego na slajdach można znaleźć tutaj.
Najważniejsze komponenty tego układu to złącze wstrzykujące do każdej kropli z bakteriami roztwór buforowy, przyłącza światłowodów, elektrody wspomagające wstrzykiwanie i umożliwiające sortowanie kropel dzięki zjawisku dielektroforezy oraz kanały, którymi uporządkowane krople opuszczają całe urządzenie.
Mechanizm sortowania opiera się tutaj na optycznym badaniu zawartości celulozy w poszczególnych kroplach. Im jest jej mniej, tym więcej bakterii, które ją przetwarzają, zawiera dana kropla. Wykrycie takiej kropli skutkuje przyłożeniem do elektrod rozdzielacza impulsu napięciowego i skierowaniem jej w ten sposób do odpowiedniego kanału wyjściowego.
A oto, jak sekwencja ta wygląda w rzeczywistości – w szerokim kadrze i w zbliżeniu.
Tu jest link. do filmów. Patrz Video 1 i Video 4
