
Нанофлюидика: Погружение в мир наномасштабных жидкостей
Нанофлюидика — это захватывающая область науки, изучающая поведение, манипуляцию и контроль жидкостей, которые находятся в ограниченных пространствах с нанометровыми размерами, обычно от 1 до 100 нанометров (1 нм = 10^-9 м). В таких условиях жидкости ведут себя иначе, чем в более крупных масштабах, например, в микрометрах и выше. Это связано с тем, что физические характеристики жидкости, такие как длина Дебая и гидродинамический радиус, становятся сопоставимыми с размерами самих наноструктур.
Уникальные свойства наножидкостей
Когда размеры структур приближаются к молекулярным масштабам, на поведение жидкости начинают влиять новые физические ограничения. Например, вблизи стенок поры вязкость жидкости может значительно увеличиваться, что не наблюдается в объемных жидкостях. Эти изменения могут также влиять на термодинамические свойства и химическую реактивность веществ на границе раздела жидкость-твердое тело. Ярким примером являются растворы электролитов, заключенные в нанопорах, которые имеют поверхностные заряды. Эти электрифицированные интерфейсы создают организованное распределение заряда, известное как двойной электрический слой.
В порах нанометрового размера двойной электрический слой может полностью охватывать ширину поры, что приводит к значительным изменениям в составе жидкости и ее движении. Например, увеличенное отношение поверхности к объему поры может привести к преобладанию противоионов (ионов с противоположным зарядом) над коионами (ионов с тем же зарядом, что и стенки поры). В некоторых случаях это может привести к почти полному исключению коионов, оставляя в поре только один вид ионов. Это открывает новые возможности для манипуляции жидкостями, которые невозможно реализовать в более крупных структурах.
Теоретические основы
В 1965 году ученые Райс и Уайтхед сделали важный вклад в теорию переноса электролитных растворов в длинных капиллярах нанометрового диаметра. Основное уравнение, описывающее потенциал на радиальном расстоянии, задается уравнением Пуассона-Больцмана. Это уравнение связывает распределение заряда с потенциалом и может быть использовано для анализа поведения жидкости в наноструктурах.
Потенциал, обозначаемый как ϕ, зависит от радиального расстояния r и описывается следующим уравнением:
\[ \frac{1}{r} \frac{d}{dr} \left( r \frac{d\phi}{dr} \right) = \kappa^2 \phi \]
где κ — обратная длина Дебая, которая определяется плотностью ионов, диэлектрической проницаемостью, постоянной Больцмана и температурой. Зная потенциал, можно восстановить плотность заряда, используя уравнение Пуассона.
Уравнение движения жидкости в нанокапиллярах под действием давления и электрического поля также может быть записано. Это уравнение позволяет исследовать, как различные факторы, такие как вязкость и градиент давления, влияют на движение жидкости в наноструктурах.
Изготовление наноструктур
Создание наноструктур может осуществляться различными методами, включая фотолитографию, микрообработку, методы репликации и химическое травление. Наноструктуры могут принимать форму цилиндрических каналов, нанощелей или массивов наноканалов и изготавливаться из различных материалов, таких как кремний, стекло и полимеры. Эти методы позволяют создавать структуры, которые демонстрируют уникальные свойства наножидкостей.
Применения нанофлюидики
Нанофлюидика находит широкое применение в различных областях, включая биотехнологию, медицину и клиническую диагностику. Одним из наиболее многообещающих направлений является интеграция нанофлюидных систем в микрофлюидные устройства, такие как «лаборатория на чипе». Эти устройства могут выполнять сложные аналитические задачи, такие как подсчет клеток, разделение и определение биомолекул, таких как белки и ДНК.
Нанофлюидные структуры также могут эффективно смешивать реагенты и управлять потоками жидкостей с различными характеристиками. Это открывает новые горизонты.