Физики обнаружили, что эффективность полоскания ткани в чистой воде во время стирки в первую очередь определяется не скоростью потока жидкости или диффузией частиц грязи, а эффектом диффузиоосмоса — движением частиц в жидкости под действием градиента концентрации растворенных в воде веществ. Именно благодаря нему удается эффективно «вытягивать» частицы грязи из микрометровых каналов между волокнами ткани, пишут ученые в Physical Review Applied.

Процесс очистки ткани от грязи во время стирки с помощью стирального порошка состоит из двух основных стадий. Первая стадия — это отрыв закрепленных на волокнах ткани частиц грязи и их связывание с поверхностно-активными веществами стирального порошка. Вторая стадия — транспорт образовавшихся частиц с потоком жидкости наружу. Если эффективность первой стадии зависит в первую очередь от химического состава чистящего средства, то на втором этапе скорость процесса определяется возможностью попадания частиц в поток жидкости. Во время стирки ткань полощут в чистой воде, чтобы с помощью потока чистой воды избавить текстильный материал от мыльной воды и связанных частиц грязи.

S. Shin et al./ Physical Review Applied, 2018

И если в довольно широких «проточных» каналах между крупными волокнами этот процесс проходит довольно быстро, то «вытянуть» частицы грязи из тупиковых каналов и замкнутых пространств между микроволокнами значительно сложнее. Если бы такой процесс определялся только диффузией частиц, то ткань стала бы чистой только спустя несколько часов непрерывного полоскания. Тем не менее, даже более короткое полоскание в чистой воде оказывается весьма эффективным. До настоящего момента было непонятно, по каким именно механизмам происходит процесс очистки замкнутых пространств с низкой скоростью потока жидкости внутри ткани, поэтому не удавалось управлять этим процессом и повышать его эффективность.

Стандартная двойная структура пор в хлопковой ткани. S. Shin et al./ Physical Review Applied, 2018

Для определения механизма очистки тканей во время полоскания и повышения эффективности стирки физики из США и Великобритании под руководством Говарда Стоуна (Howard A. Stone) из Принстонского университета детально изучили, что происходит с твердыми частицами внутри текстильных материалов в тот момент, когда мыльный раствор сменяется чистой водой.

Для этого ученые провели модельный эксперимент в системе из нескольких замкнутых микроканалов длиной 100 микрометров, соединенных с основным широким проточным каналом. Внутри замкнутых каналов изначально находилась мыльная вода (в качестве поверхностно-активного вещества использовался додецилсульфат натрия) и модельные частицы грязи, в качестве которых ученые использовали окрашенные полистирольные микросферы диаметром 500 нанометров. В качестве жидкости внутри основного канала ученые использовали или такой же раствор поверхностно-активного вещества (но без частиц), как внутри замкнутых пор, или раствор значительно более низкой концентрации (в том числе и чистую воду).

Оказалось, что в первом случае, когда процесс «вытягивания» частиц из пор определяется только скоростью потока жидкости и диффузией в результате броуновского движения, очистка канала от загрязнения происходит значительно медленнее, чем во втором случае. Ученые объяснили это наблюдение эффектом диффузиофореза — перемещения частиц под действием градиента концентрации соли в жидкости. В случае потока чистой воды между порой и основным каналом возникает разница концентрации поверхностно-активного вещества, что приводит к искажению двойного электрического слоя вокруг частицы и вызывает ее движение в область меньшей концентрации растворенного вещества.

Скорость частиц за счет диффузиофореза оказалась примерно на два порядка выше скорости жидкости в этих каналах, при этом она изменялась в зависимости от концентрации соли в воде. Теоретический анализ показал, что именно возникающий градиент концентрации и приводит к значительному ускорению процесса выхода частиц из замкнутых пор.

Выход частиц из замкнутых каналов в мыльную воду: определяется только скоростью жидкости и диффузией частиц. S. Shin et al./ Physical Review Applied, 2018

Выход частиц из замкнутых каналов в чистую воду: определяется не только скоростью жидкости и диффузией частиц, но и эффектом диффузиофореза. S. Shin et al./ Physical Review Applied, 2018

Чтобы показать, что этот эффект работает не только в модельной микрофлюидной системе, но и в текстильном материале, аналогичный эксперимент ученые провели с небольшим куском хлопковой ткани, на который было нанесено пятно из окрашенных загрязняющих частиц. Оказалось, что если в случае полоскания чистой водой пятно полностью пропадает с ткани за две минуты, то при полоскании в растворах додецилсульфата натрия этот процесс сильно затягивается, а в концентрированных растворах — не происходит вовсе.

Кроме определения основного механизма очистки ткани во время полоскания, ученые также предложили способ повысить эффективность этого процесса. Оказалось, что при появлении градиента соли между собой конкурируют два эффекта: диффузиофорезом и электрофорезом. Управлять этими процессами можно за счет изменения подвижности крупных анионов.

Эффект диффузиоосмоса часто становится важным в технологиях, в которых используется смена растворителей с различной концентрацией солей. Например, та же группа физиков показала, что диффузиоосмос может приводить к забиванию пор частицами — эффекту, который не только снижает эффективность микрофлюидных устройств, но и может быть использован и в полезных целях: например для сортировки ДНК или разработки биомембран.

Автор: Александр Дубов