Nicholas Scott Lynn Jr., Ph.D.

Stručně řečeno, pracuji s mikrofluidními systémy. Tyto fluidní systémy jednoduše přesouvají kapaliny (někdy i plyny) z jednoho místa na druhé. V některých případech jsou podobné těm, které najdete ve své kuchyni, v jiných případech spíše těm v ropných rafineriích – avšak jsou mnohem menší. Některé můžete vidět pouhým okem, i když ne příliš zřetelně, a jiné vyžadují k pozorování výkonný mikroskop.
Nezajímá mě jen to, jak můžeme přesně řídit tok kapalin v těchto malých systémech, ale především to, jak rychle se jednotlivé složky kapalin pohybují a jak rychle mohou interagovat s povrchem.
Pokud to trochu rozvedu, zajímám se o návrh mikrofluidních a nanofluidních systémů pro aplikace v katalýze, povrchové vědě, chemii a biosenzorech. Konkrétně se moje výzkumné zájmy týkají mikrofluidiky, dynamiky tekutin a transportních jevů, výpočetní dynamiky tekutin, míchání, mikro- a nanovýroby, 3D tisku, biosenzorů, biofyziky, biomolekulárních interakcí, katalýzy, návrhu reaktorů a chemie polymerů.
Některé z našich nedávných výzkumných projektů jsou uvedeny níže.
3D tištěné průtokové buňky pro hromadnou syntézu polymerních kartáčových vrstev
Zkoumáme, jak lze jednoduché 3D tištěné díly využít k syntéze polymerních kartáčových filmů na různých plochých substrátech (sklo, křemík, zlato), které se používají pro biosenzory a biologické studie. Tyto polymerní kartáčové filmy slouží v Laboratoři funkčních biorozhraní jako antifoulingová vrstva pro různé biosenzory, obvykle založené na povrchové plazmonové rezonanci (SPR) a křemenné krystalové mikrováze (QCM). Aby si tyto polymerní kartáčové filmy udržely své antifoulingové vlastnosti, musí být velmi husté (tj. jednotlivé polymerní řetězce musí být velmi blízko sebe) a homogenní (tj. všechny řetězce musí mít podobnou délku). Nejefektivnější metodou pro syntézu hustých a homogenních polymerních kartáčových filmů je povrchově iniciovaná radikálová polymerizace přenosem atomů (SI-ATRP), heterogenní katalytická metoda založená na růstu jednotlivých polymerních řetězců z iniciátorů, které jsou imobilizovány na povrchu (Obrázek 1).
Obrázek 1. Povrchově iniciovaná radikálová polymerizace přenosem atomů (SI-ATRP) pro syntézu polymerního kartáče složeného z karboxybetain methakrylamidu (CBMAA), zvíterionického monomeru s antifoulingovými vlastnostmi, který lze funkčně upravit bioreceptory pro proces biosenzingu.
Jednou z hlavních nevýhod SI-ATRP je její efektivita: substráty musí být ponořeny do roztoku obsahujícího katalyzátor (s vhodným ligandem) a monomer, přičemž monomer je nutné použít v relativně vysokých koncentracích, a celý proces musí probíhat za podmínek bez přístupu kyslíku. To se stává poněkud problematickým v biosenzingu (a dalších oblastech), kde je často potřeba 10–100 substrátů potažených polymerem denně. I za optimálních podmínek standardní syntéza SI-ATRP vede k tomu, že méně než 1:10 000 monomerů v roztoku je polymerizováno na substrát. V takových případech se vysoké náklady na monomery stávají neúnosnými.
Abychom tento problém zmírnili, nedávno jsme zkoumali použití jednoduchých 3D tištěných průtokových buněk pro hromadnou syntézu polymerních kartáčových filmů. Začali jsme s poznatky získanými při použití jediné průtokové buňky (s celkovým objemem tekutiny menším než 10 μL) a navrhli jsme sérii komponent, které při naskládání dohromady tvoří kontinuální fluidní dráhu propojující proměnný počet substrátů, v závislosti na počtu vrstev, které jsou spojeny. Takový mikrofluidní stohový reaktor (Obrázek 2) nejenže snížil mrtvý objem polymerizace více než 100×, ale také prokázal schopnost syntetizovat polymerní kartáčové filmy, které byly hustší ve srovnání s těmi připravenými standardními metodami.
Předtisk této práce si můžete prohlédnout zde.
Obrázek 2. Mikrofluidní stohové reaktory pro hromadnou syntézu polymerních kartáčových filmů. Horní strana každé jednotlivé vrstvy je navržena tak, aby pojala a zarovnala jeden substrát, zatímco spodní strana obsahuje těsnění, které utěsňuje substrát ve vrstvě pod ní. Při naskládání vrstev, přičemž každá vrstva je otočena o 180 stupňů vzhledem k vrstvě nad ní, toto uspořádání zajišťuje jednu spojitou fluidní dráhu propojující jednotlivé substráty.