Nanofluidik

Nanofluidik eller nanohydrodynamik  är en gren av hydrodynamik av nanostrukturerade vätskor. Nanofluidik är studiet av beteende, kontroll och hantering av vätskor som begränsas av nanometerstrukturer. I detta tillstånd uppvisar vätskan egenskaper som är atypiska för bulktillståndet, till exempel en kraftig ökning eller minskning av viskositeten nära väggarna i nanokapillärerna, en förändring av vätskans termodynamiska parametrar, såväl som atypisk kemisk aktivitet i gränsytan mellan den fasta och flytande fasen. Anledningen till detta är att de karakteristiska parametrarna för vätskan, såsom Debye-längden , den hydrodynamiska radien blir proportionerlig med dimensionerna av strukturen som begränsar vätskan [1] .

Figuren visar en membranstruktur baserad på en rad nanokapillärer . Radien för varje kapillär är av samma storleksordning som Debye-längden för vätskan som strömmar genom den.

Teori

År 1965 publicerade Rice och Whitehead en nyskriven artikel om teorin om transport av elektrolytlösningar i långa (helst oändliga) kapillärer i nanometerdiameter. [2] I deras modell ges potentialen ϕ på det radiella avståndet r av Poisson-Boltzmann-ekvationen , där κ  är den reciproka Debye-längden , som beror på jonkoncentrationen n , dielektricitetskonstanten ε , Boltzmann- konstanten k , och temperaturen T. Efter att ha bestämt det radiella beroendet av potentialen φ(r) , kan man hitta laddningstätheten från Poisson-ekvationen , vars lösning kan representeras som en modifierad första ordningens Bessel-funktion I 0 och normaliserad till kapillärradien a . Rörelseekvationen som tar hänsyn till tryck och elektriskt styrt vätskeflöde kan skrivas i form där η  är viskositeten, dp/dz  är tryckgradienten, F z  är kroppskraften beroende på det pålagda elektriska fältet och Ez  är nettoladdningstätheten i det dubbla elektriska lagret. När tryck inte appliceras på kapillären kan den radiella hastighetsfördelningen ungefär representeras av följande uttryck : Av denna ekvation följer att vätskeflödet i nanokapillärer styrs av produkten κa , dvs beror på Debye-längden och porradien . Sålunda kan vätskeflödet styras genom att ändra dessa två parametrar och genom att ändra ytladdningstätheten.

Tillverkning

]

Nanostrukturer, där de villkor som är nödvändiga för vätskeflödeskontroll realiseras, kan göras i form av isolerade cylindriska kanaler, nanoslitsar eller i form av en rad nanokanaler i material som kisel, glas, polymerer (såsom PMMA , PDMS membran av polypropen) och syntetiska porstrukturer. [4] Konventionell fotolitografi , bulk- eller ytmikrobearbetning, kopieringstekniker (prägling, tryckning, formsprutning och formsprutning), såväl som spår av tunga partiklar och kemisk etsning [5] [6] kan också användas för att skapa strukturer som uppvisar det beskrivna beteendet av nanofluidics.

Applikation

På grund av den lilla storleken på vätskekanalerna kan nanofluidiska strukturer användas i de fall där föremålen som studeras måste tas i mycket små mängder, till exempel i Coulter-räknare [7] , vid analytisk separation och bestämning av biomolekyler som proteiner och DNA [8] såväl som i anordningar för bekväm infångning av prover med liten massa. En av de mest lovande applikationerna för nanofluidiska enheter är potentialen för att de kan bäddas in i mikrofluidsystem som integrerade mikroanalytiska system eller laboratorier-på-ett-chip . Till exempel kan membran baserade på en nanokapillär array, som är inbäddade i mikrofluidiska enheter, reproducerbart utföra digital omkoppling, vilket gör det möjligt att omdirigera vätska från en mikrofluidisk kanal till en annan [9] , selektivt separera och omdirigera ämnena som studeras efter storlek och massa [9 ] [10] [11] [12] [13] , blanda effektivt reaktanter [14] och separera vätskor med olika egenskaper [9] [15] . Det finns också en naturlig analogi mellan förmågan att kontrollera vätska i nanofluidiska strukturer och elektroniska komponenters förmåga att kontrollera flödet av elektroner och hål. Denna analogi kan användas för att skapa aktiva komponenter för att styra jonströmmar, såsom en likriktare [16] , en fälteffekt [ 17] [18] och en bipolär transistor [19] [20] . Användningen av nanofluidik är också möjlig inom nanooptikområdet för att skapa inställbara arrayer av mikrolinser [21] [22]

Nanofluidik kan ha en betydande inverkan på utvecklingen av bioteknik , medicin och klinisk diagnostik om lab-on-a-chip- enheter för PCR och liknande tekniker utvecklas [23] .

Eftersom nanofluidik befinner sig i ett tidigt utvecklingsstadium kan vi förvänta oss nya riktningar för användningen av nanofluidiska enheter under de kommande åren.

Problem

Det finns många problem förknippade med flödet av vätskor genom kolnanorör och rör. Huvudproblemet är blockeringen av kanalen av makromolekyler och olösliga föroreningar i vätskan. Lösningen på detta problem kan vara skapandet av kanalbeläggningar med låg friktionskoefficient eller valet av ett kanalmaterial som hjälper till att minska blockeringseffekten. Också tack vare den stora storleken på polymerer, inklusive biologiskt signifikanta molekyler som DNA, som ofta viks i kroppen. Detta orsakar ocklusion eftersom exempelvis en typisk viral DNA-molekyl är ungefär 100-200 tusen heterocykliska nukleinsyrabaser lång och bildar en slumpmässig spiral med en radie på ungefär 700 nm i en 20 % vattenlösning. Denna storlek är flera gånger större än pordiametern på stora kolrör och två storleksordningar större än diametern på ett enkelväggigt kolnanorör.

Se även

• nanomekanik
• Nanoteknik
• Mikrohydrodynamik

Anteckningar

1. ↑ Nanofluidics (otillgänglig länk) . Federal Internetportal "Nanoteknik och nanomaterial". Hämtad 21 april 2010. Arkiverad från originalet 23 april 2012. (ryska) 
2. ↑ CL Rice, R. Whitehead. Elektrokinetiskt flöde i en smal cylindrisk kapillär  //  Journal of Physical Chemistry . - 1965. - Vol. 69 , nr. 11 . - P. 4017-4024 .
3. ↑ Esmek, Franziska M.; Bayat, Parisa; Perez-Willard, Fabian; Volkenandt, Tobias; Blick, Robert H.; Fernandez-Cuesta, Irene. Skulptering av nanofluidiska enheter i wafer-skala för analys av DNA-enkelmolekyler  //  Nanoscale: journal. - 2019. - Vol. 11 , nr. 28 . - P. 13620-13631 . — ISSN 2040-3364 . - doi : 10.1039/C9NR02979F .
4. ↑ M. Karlsson, M. Davidson, R. Karlsson, A. Karlsson, J. Bergenholtz, Z. Konkoli, A. Jesorka, T. Lobovkina, J. Hurtig, M. Voinova, O. Orwar. Biomimetiska reaktorer och nätverk i nanoskala  (engelska)  // Annual Review of Physical Chemistry . - 2004. - Vol. 55 . - s. 613-649 .
5. ↑ H. Baltes, O. Brand, G. K. Fedder, C. Hierold, J. G. Korvink, O. Tabata. Volym 1: Enabling Technology for MEMS and Nanodevices // Advanced Micro & Nanosystems . - Wiley-VCH, 2004. - T. 1. - S. 319-355. — 439 sid. - (liten teknik - enorm potential). — ISBN 978-3-527-30746-3 .
6. ↑ D. Mijatovic, JCT Eijkel, A. van den Berg. Teknik för nanofluidiska system: top-down vs. bottom-up—en recension  // Lab on a Chip  . - 2005. - Vol. 5 , nej. 5 . - S. 492-500 .
7. ↑ Saleh OA, Sohn LL Kvantitativ avkänning av kolloider i nanoskala med hjälp av en mikrochip Coulter-räknare  // Review of Scientific Instruments  . - 2001. - Vol. 72 , nr. 12 . - P. 4449-4451 .
8. ↑ Han C., Jonas OT, Robert HA, Stephen YC Gradient nanostrukturer för gränssnitt mellan mikrofluidik och nanofluidik  // Applied Physics Letters  . - 2002. - Vol. 81 , nr. 16 . - P. 3058-3060 .
9. ↑ 1 2 3 Cannon JD, Kuo T.-C., Bohn PW, Sweedler JV Nanocapillary Array Interconnects for Gated Analyte Injections and Electrophoretic Separations in Multilayer Microfluidic Architectures   // Analytical Chemistry . - 2003. - Vol. 75 , nr. 10 . - P. 2224-2230 .
10. ↑ Ramirez P., Mafe S., Alcaraz A., Cervera J. Modellering av pH-omkopplingsbar jontransport och selektivitet i nanoporemembraner med fasta laddningar  //  Journal of Physical Chemistry B . - 2003. - Vol. 107 , nr. 47 . - P. 13178-13187 .
11. ↑ Kohli P., Harrell CC, Cao Z., Gasparac R., Tan W., Martin CR DNA -Functionalized Nanorube Membranes with Single-Base Mismatch Selectivity   // Science . - 2004. - Vol. 305 , nr. 5686 . - s. 984-986 .
12. ↑ Jirage KB, Hulteen JC, Martin CR Effekt av tiolkemisorption på transportegenskaperna hos guldnanorörmembran   // Analytisk kemi . - 1999. - Vol. 71 , nr. 51 . - P. 4913-4918 .
13. ↑ Kuo TC, Sloan LA, Sweedler JV, Bohn PW Manipulerar molekylär transport genom nanoporösa membran genom kontroll av elektrokinetiskt flöde: Effekt av ytladdningstäthet och Debye-  längd  // Langmuir . - 2001. - Vol. 17 , nr. 20 . - P. 6298-6303 .
14. ↑ Kuo Tzu-C., Kim HK, Cannon DMJr . , Shannon MA, Sweedler JV, Bohn PW Nanocapillary Arrays Effect Mixing and Reaction in Multilayer Fluidic Structures  // Angewandte Chemie International Edition  . - 2004. - Vol. 43 , nr. 14 . - P. 1862-1865 .
15. ↑ Fa K., Tulock JJ, Sweedler JV, Bohn PW Profilering av pH-gradienter över nanokapillära arraymembraner som förbinder mikrofluidikkanaler  //  Journal of the American Chemical Society . - 2005. - Vol. 127 , nr. 40 . - P. 13928-13933 .
16. ↑ Cervera J., Schiedt B., Neumann R., Mafe S., Ramirez P. Jonisk ledning, likriktning och selektivitet i enstaka koniska nanoporer  //  Journal of Chemical Physics . - 2006. - Vol. 124 , nr. 10 . — S. 104706 .
17. ↑ Karnik R., Castelino K., Majumdar A. Fälteffektkontroll av proteintransport i en nanofluidisk transistorkrets  // Applied Physics Letters  . - 2006. - Vol. 88 , nr. 12 . — S. 123114 .
18. ↑ Karnik R., Fan R., Yue M., Li DY, Yang PD, Majumdar A. Elektrostatisk kontroll av joner och molekyler i  nanofluidtransistorer  // NanoLetters . - 2005. - Vol. 5 , nej. 5 . - P. 943-948 .
19. ↑ Daiguji H., Yang PD, Majumdar A. Jontransport i nanofluidiska kanaler   // NanoLetters . - 2004. - Vol. 4 , nr. 1 . - S. 137-142 .
20. ↑ Vlassiouk I., Siwy ZS Nanofluidic Diode   // NanoLetters . - 2007. - Vol. 7 , nr. 3 . - S. 552-556 .
21. ↑ Grilli S., Miccio L., Vespini V., Finizio A., De Nicola S., Ferraro P. Flytande mikrolinsarray aktiverad genom selektiv elektrovätning på litiumniobatsubstrat  // Optics Express  . - 2008. - Vol. 16 , nr. 11 . - P. 8084-8093 .
22. ↑ Ferraro P., Miccio L., Grilli S., Finizio A., De Nicola S., Vespini V. Manipulating Thin Liquid Films for Tunable Microlens Arrays  // Optik och fotoniknyheter  . - 2008. - Vol. 19 , nr. 12 . - S. 34-34 .
23. ↑ Herold KE, Rasooly A. (redaktörer). Lab-on-a-Chip-teknik (Vol. 2): Biomolekylär separation och analys . - Caister Academic Press, 2009. - ISBN 978-1-904455-47-9 .

Litteratur

• Joshua Edel, Andrew J. deMello. Nanofluidik. Nanovetenskap och nanoteknik . — RSC Nanoscience & Nanotechnology. - RSC Publishing, 2008. - ISBN 978-0-85404-147-3 .
• Patrick Abgrall, Nam-Trung Nguyen. Nanofluidik . - Artech House Publishers, 2009. - 204 sid. — ISBN 978-1-59693-350-7 .
• Journal of Microfluidics and Nanofluidics