导语：原子太小，以致于光学显微镜根本看不到，但又很重要，掌上实验室中用得到。于是科学家们想出了一个聪明的办法“放大”原子，模拟流体中的原子流过原子级通道的工程。
关键字：流动；原子；超约束；胶体
芯片实验室微流体装置能在小尺度控制流体。（图片来源：Atdr gs/Wikimedia Commons, CC BY-SA）
芯片实验室（Lab-on-a-chip），一种可以承载多种试验功能于一小块薄片的设备，是过去几年中科技进步的成果之一。打个比方，如果使用芯片实验室，医生们可以仅仅凭借一滴血液就能进行许多复杂的诊断。
当然，就现在来讲这些还没有实现，在未来，将这种种实验设备缩小到极致，使其尺寸几乎与液体分子相当会是一项很巨大的挑战，能否成功取决于我们对于液体在极端约束（译者注：极端约束extreme confinement即设备的尺寸与内部流体粒子的特征尺度大致相同）条件下运动行为的理解程度。最近，我们在《自然通信》（Nature Communications）上发表的一篇文章中提出了一种揭示这种“超约束”（superconfinement）状态下流体行为特点的方法，即使用被称之为胶体的离子团，并将其视为超大号的原子。
浊虹
众所周知，原子是非常非常小的东西，以至于无法凭借光学显微镜对其进行观察。但是如果可以把原子“吹”大了呢？这恰恰就是胶体的作用，它们可以被视为极端巨大的原子。这种技术可以使用胶体代替许多流体中原子尺度的运动过程——其中的一些会对未来芯片实验室的发展起关键作用。
日常生活中，胶体随处可见，甚至在你刚刚倒进茶杯中的牛奶中也存在着胶体。牛奶是一种以水为主的混合物，包含糖、脂肪、蛋白质和其他一些成分。这些物质的分子聚集成团，这些由巨量分子聚成的小团大概只有毫米的千分之一大小。这些小团即是我们所称的胶体粒子。
“服务员，给我的茶里添点胶体。” （图片来源： Laura D'Alessandro/Flickr, CC BY-SA）
事实上，牛奶是解释胶体在科学上的用途的很好一例。使用闪光灯照射装有牛奶和水的混合物的透明容器，就可以从另一侧看到如同落日时所见的美丽色彩。这种落日的效果最终归结于光与流体中胶体粒子的相互作用。
在大气中的分子和原子使光发生了散射，让天空呈现出令人震撼的落日之景。然而，原子的微小尺寸，需要让光透过几公里的行程才能体现出这种景象。但是借助牛奶的话，一把手电筒和一个杯子你就能看见微缩的落日之景。
但是胶体的本质究竟是什么？任意一种散布于如空气和水这样的流体中，尺寸小但又未到可以溶解的程度，重量轻且不会立刻沉淀的粒子，都可以被称为胶体。胶体粒子的大小可以是1纳米，也可以是1微米，且任何组分都有可能成为胶体。
智能胶体
回到实验室，我们使用球形粒子和聚合物链的胶体混合物来研究极端微小的通道中流体的流动特点，如芯片内纳米级射流通道中单个液滴的流动。实验使用的混合物中粒子的尺寸约为200纳米，是典型的胶体尺度。
所谓放大了的原子，即在巨大的200纳米的胶体面前，直径只有0.25纳米的水分子基本可以忽略不计。其中对于胶体粒子最巧妙的应用就是聚合物链会受到球形粒子的挤压，它们之间存在着一种排挤作用。这种现象最终产生了一种两相混合物，就像分散在水中的油滴。更重要的是，实验时“流体”中胶体“分子”的尺寸与微型通道的尺寸处于一个数量级，因此我们可以将它们视为放大的原子来研究极端约束条件下的各种现象。
这一系列的显微镜照片按时间顺序显示了胶状在超约束条件下射流和液滴的形成。（图片来源：作者供图）
通过改变通道的尺寸，我们可以揭示在形成液滴和射流的过程中流体与边界的相互作用。之后我们可以使用得到的结果来控制仅仅只比胶体粒子大几百倍的射流或者液滴的形成。更加重要的是，由于胶体粒子的巨大尺寸，可以直接使用光学显微镜观察在这种极端约束条件下流体的动力学问题，这可是相当的意义非凡，对于像水这样普通的流体来讲，完全不可能。
前景如何？
从胶体粒子中发现的流体的特点，其应用范围远远不止限于胶体范围内。比如，通道尺寸的简单改变可以被用于制造超微小液滴，也就是说这些通道可以作为“掌上实验室”中的容器或者反应皿。
而且控制液滴的能力可以被应用于特殊形状微粒的自主组装过程中，换句话说，就像是“胶体砖块”，可以被用来制造诸如微型机器人一类的更复杂的微型结构。而大量的微型结构可以用来探测对于大型机器人来说过于狭小的缝隙。这项技术还可以用来研发微型材料，比如用来清洗产品的高级微型乳液。
这些应用并不限于我们实验中使用的胶体悬浮液，对油、水还有许多许多液体来说都能实现，但前提是它们处于微小通道之中。将一个系统中得出的结论移植到另一个系统中并非只限于胶体，这是物理学中的一项普遍原则，适用于现实中的各种情况，这种对普适性的探索也最能体现造物之神奇。
作者简介：Rodrigo Ledesma Aguilar 是诺森比亚大学物理与电子工程系高级讲师。
（翻译：徐瑞铎；审校：蒋泱帅）
原文链接：
https://theconversation.com/how-oversized-atoms-could-help-shrink-lab-on-a-chip-devices-43791
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