Нанофлюидика

Эта статья о динамике жидкостей, заключенных в наноразмерных структурах. Для жидкостей, содержащих наночастицы, см. Наножидкость .

Схематическая диаграмма одной конкретной реализации нанофлюидики в мембране нанокапиллярной матрицы или NCAM. NCAM состоит из большого количества параллельных нанокапилляров, каждый из которых имеет радиус пор a/2 , который примерно равен дебаевской длине κ. ⁻¹ . Двойной электрический слой характеризуется распределением противоионов N , которое является наибольшим у стенок поры и затухает к центру поры.

Нанофлюидика — это исследование поведения, манипуляций и контроля жидкостей , которые ограничены структурами нанометровых (обычно 1–100 нм) характерных размеров (1 нм = 10 ⁻⁹ м). Жидкости, заключенные в этих структурах, демонстрируют физическое поведение, не наблюдаемое в более крупных структурах, таких как структуры размером микрометра и выше, поскольку характерные физические масштабные длины жидкости ( например, длина Дебая , гидродинамический радиус ) очень близко совпадают с размерами наноструктуры . сам.

Когда структуры приближаются к размерному режиму, соответствующему молекулярной длине, на поведение жидкости накладываются новые физические ограничения. Например, эти физические ограничения заставляют области жидкости проявлять новые свойства, не наблюдаемые в объеме, например, значительно повышенную вязкость вблизи стенок поры; они могут вызывать изменения термодинамических свойств, а также изменять химическую активность частиц на границе раздела жидкость-твердое тело . Особенно актуальным и полезным примером являются растворы электролитов, заключенные в нанопорах , содержащих поверхностные заряды , то есть на электрифицированных границах раздела, как показано на мембране нанокапиллярной матрицы (NCAM) на прилагаемом рисунке.

Все электрифицированные интерфейсы вызывают организованное распределение заряда вблизи поверхности, известное как двойной электрический слой . В порах нанометровых размеров двойной электрический слой может полностью охватывать ширину нанопоры, что приводит к резким изменениям в составе жидкости и связанных с ней свойствах движения жидкости в структуре. Например, резко увеличенное соотношение поверхности и объема поры приводит к преобладанию противоионов ( т.е. ионов, заряженных противоположно статическому заряду стенки) над коионами (имеющими тот же знак, что и заряды стенки), в во многих случаях почти полное исключение коионов, так что в поре существует только один вид ионов. Это можно использовать для манипулирования частицами с избирательной полярностью по длине пор для достижения необычных схем манипуляций с жидкостью, которые невозможны в микрометровых и более крупных структурах.

Теория

В 1965 году Райс и Уайтхед опубликовали плодотворный вклад в теорию транспорта растворов электролитов в длинных (в идеале бесконечных) капиллярах нанометрового диаметра. Вкратце, потенциал φ Больцмана на радиальном расстоянии r определяется уравнением Пуассона- :

${\frac {1}{r}}{\frac {d}{dr}}\left(r{\frac {d\phi }{dr}}\right)=\kappa ^{2}\phi ,$

где κ – обратная дебаевская длина ,

$\kappa ={\sqrt {\frac {8\pi ne^{2}}{\epsilon kT}}},$

определяется плотностью ионов n , диэлектрической проницаемостью ε , постоянной Больцмана k и температурой T . Зная потенциал φ(r) , плотность заряда затем можно восстановить из уравнения Пуассона , решение которого можно выразить как модифицированную функцию Бесселя первого рода I ₀ и масштабировать до радиуса капилляра a . уравнение движения под действием комбинированного давления и потока с электрическим приводом Затем можно записать :

${\frac {1}{r}}{\frac {d}{dr}}\left(r{\frac {dv_{z}}{dr}}\right)={\frac {1}{\eta }}{\frac {dp}{dz}}-{\frac {F_{z}}{\eta }},$

где η — вязкость, dp/dz — градиент давления, а F _z — объемная сила, вызванная действием приложенного поля электрического E _z на результирующую плотность заряда в двойном слое.При отсутствии приложенного давления радиальное распределение скорости определяется выражением:

$v_{z}\left(r\right)={\frac {\epsilon \phi _{0}}{4\pi \eta }}E_{z}\left[1-{\frac {I_{0}\left(\kappa r\right)}{I_{0}\left(\kappa a\right)}}\right].$

Из приведенного выше уравнения следует, что течение жидкости в нанокапиллярах определяется произведением κa , то есть относительными размерами дебаевской длины и радиуса поры. Регулируя эти два параметра и плотность поверхностного заряда нанопор, потоком жидкости можно управлять по желанию.

Изготовление

Carl Zeiss Crossbeam 550 – сочетает в себе автоэмиссионный сканирующий электронный микроскоп (FE-SEM) и сфокусированный ионный луч (FIB).

Нанофлюидные каналы, изготовленные с помощью Zeiss Crossbeam 550 L, на кремниевом мастер-штампе.

Наноструктуры могут быть изготовлены в виде одиночных цилиндрических каналов, нанощелей или массивов наноканалов из таких материалов, как кремний, стекло, полимеры (например, ПММА , ПДМС , ПКТЭ) и синтетические везикулы. Стандартная фотолитография , объемная или поверхностная микрообработка, методы репликации (тиснение, печать, литье и литье под давлением), а также ядерное или химическое травление. обычно используются для изготовления структур, которые демонстрируют характерное нанофлюидное поведение.

Приложения

Из-за небольшого размера жидкостных каналов наножидкостные структуры естественным образом применяются в ситуациях, требующих обработки образцов в чрезвычайно малых количествах, включая подсчет Коултера, аналитическое разделение и определение биомолекул, таких как белки и ДНК, и простота обращения с образцами ограниченной массы. Одной из наиболее многообещающих областей нанофлюидики является ее потенциал для интеграции в микрофлюидные системы, то есть микрототальные аналитические системы или «лаборатория на чипе» структуры . Например, NCAM, будучи включенными в микрофлюидные устройства, могут воспроизводимо выполнять цифровое переключение, позволяя переносить жидкость из одного микрофлюидного канала в другой. селективность разделения и переноса аналитов по размеру и массе, эффективно смешивать реагенты, и отдельные жидкости с разными характеристиками. Кроме того, существует естественная аналогия между возможностями наножидкостных структур по работе с жидкостями и способностью электронных компонентов контролировать поток электронов и дырок. Эта аналогия использовалась для реализации активных электронных функций, таких как выпрямление. и полевой эффект и биполярный транзистор действие ионными токами. Нанофлюидика также применяется в нанооптике для создания настраиваемой матрицы микролинз.

Нанофлюидика оказала значительное влияние на биотехнологию , медицину и клиническую диагностику благодаря разработке лабораторных устройств на чипе для ПЦР и связанных с ними методов. Были предприняты попытки понять поведение полей потока вокруг наночастиц с точки зрения гидродинамических сил в зависимости от Рейнольдса и Кнудсена числа с использованием вычислительной гидродинамики . Было показано, что взаимосвязь между подъемной силой, сопротивлением и числом Рейнольдса резко различается на наноуровне по сравнению с динамикой жидкости на макроуровне.

Проблемы

Существует множество проблем, связанных с потоком жидкостей через углеродные нанотрубки и нанотрубки. Распространенным явлением является закупорка каналов из-за крупных макромолекул в жидкости. Кроме того, любой нерастворимый мусор в жидкости может легко засорить трубку. Решением этой проблемы исследователи надеются найти покрытие с низким коэффициентом трения или материалы каналов, которые помогут уменьшить блокировку трубок. Кроме того, крупные полимеры, в том числе биологически важные молекулы, такие как ДНК, часто сворачиваются in vivo, вызывая закупорку. Типичные молекулы ДНК вируса имеют длину ок. 100–200 килобаз и в 20% водном растворе образует случайный клубок радиусом около 700 нм. Это также в несколько раз превышает диаметр пор даже больших углеродных трубок и на два порядка диаметр одностенной углеродной нанотрубки.

См. также

• Наномеханика
• Нанотехнологии
• Микрофлюидика
• Нанофлюидная схема