Нанофлюидика

Нанофлюидика — это изучение поведения, манипулирования и контроля жидкостей, которые ограничены структурами с нанометровыми (обычно 1–100 нм) характерными размерами (1 нм = 10−9 м). Жидкости, ограниченные этими структурами, демонстрируют физическое поведение, не наблюдаемое в более крупных структурах, таких как структуры с микрометровыми размерами и выше, поскольку характерные физические масштабные длины жидкости (например, длина Дебая, гидродинамический радиус) очень близко совпадают с размерами самой наноструктуры.

Когда структуры приближаются к размерному режиму, соответствующему молекулярным масштабным длинам, на поведение жидкости накладываются новые физические ограничения. Например, эти физические ограничения заставляют области жидкости проявлять новые свойства, не наблюдаемые в объеме, например значительно увеличенную вязкость вблизи стенки поры; они могут влиять на изменения термодинамических свойств, а также могут изменять химическую реактивность видов на границе раздела жидкость-твердое тело. Особенно актуальным и полезным примером являются растворы электролитов, заключенные в нанопорах, которые содержат поверхностные заряды, т.е. на электрифицированных интерфейсах, как показано в нанокапиллярной массивной мембране (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 этим свойствах движения жидкости в структуре. Например, радикально увеличенное отношение поверхности к объему поры приводит к преобладанию противоионов (т.е. ионов, заряженных противоположно статическим зарядам стенки) над коионами (имеющими тот же знак, что и заряды стенки), во многих случаях к почти полному исключению коионов, так что в поре существует только один ионный вид. Это можно использовать для манипулирования видами с селективной полярностью вдоль длины поры для достижения необычных схем манипуляции жидкостью, невозможных в микрометровых и более крупных структурах.

Теория

В 1965 году Райс и Уайтхед опубликовали основополагающий вклад в теорию переноса электролитных растворов в длинных (в идеале бесконечных) капиллярах нанометрового диаметра.
Вкратце, потенциал, ϕ, на радиальном расстоянии, r, задается уравнением Пуассона-Больцмана,

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

где κ — обратная длина Дебая,

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

определяется плотностью числа ионов, n, диэлектрической проницаемостью, ε, постоянной Больцмана, k, и температурой, T. Зная потенциал, φ(r), плотность заряда может быть восстановлена ​​из уравнения Пуассона, решение которого может быть выражено как модифицированная функция Бесселя первого рода, I₀, и масштабирована до радиуса капилляра, a. Уравнение движения под комбинированным давлением и электрически управляемым потоком может быть тогда записано,

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

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

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

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

Изготовление

Наноструктуры могут быть изготовлены в виде отдельных цилиндрических каналов, нанощелей или массивов наноканалов из таких материалов, как кремний, стекло, полимеры (например, PMMA, PDMS, PCTE) и синтетические везикулы.
Стандартная фотолитография, объемная или поверхностная микрообработка, методы репликации (тиснение, печать, литье и литье под давлением), а также ядерное трековое или химическое травление,
обычно используются для изготовления структур, которые демонстрируют характерное наножидкостное 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 структуры «лаборатория на чипе». 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 с разработкой устройств lab-on-a-chip для ПЦР и связанных с ними методов. Были предприняты попытки понять поведение полей течения вокруг наночастиц с точки зрения сил жидкости как функции числа Рейнольдса и Кнудсена с использованием вычислительной гидродинамики. Было показано, что соотношение между подъемной силой, сопротивлением и числом Рейнольдса существенно отличается в наномасштабе по сравнению с макромасштабной гидродинамикой.

Вызовы

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, включая биологически важные молекулы, такие как ДНК, часто сворачиваются in vivo, вызывая закупорку. Типичные молекулы ДНК вируса имеют длину ок. 100–200 килобаз и будет образовывать случайный клубок радиусом около 700 нм в водном растворе при 20%. Это также в несколько раз превышает диаметр пор даже больших углеродных трубок и на два порядка диаметр одностенной углеродной нанотрубки.