Нанофлюидика

Динамика жидкостей, заключенных в наномасштабных структурах

Схематическая диаграмма одной конкретной реализации нанофлюидики в мембране нанокапиллярного массива, или NCAM. NCAM состоит из большого количества параллельных нанокапилляров, каждый из которых имеет радиус поры, a/2 , который приблизительно равен длине Дебая, κ ⁻¹ . Электрический двойной слой характеризуется распределением противоионов, N , которое является наибольшим на стенке поры и уменьшается к центру поры.

Нанофлюидика — это изучение поведения, манипуляции 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 повышенную вязкость вблизи стенки пор; 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, резко 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. [ ^1] 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, I ₀ , 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 — объемная сила, вызванная действием приложенного электрического поля E z _на чистую плотность заряда в двойном слое. Когда приложенное давление отсутствует, радиальное распределение скорости определяется как,

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

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

Изготовление

Carl Zeiss Crossbeam 550 — объединяет в себе сканирующий электронный микроскоп с полевой эмиссией (FE-SEM) и сфокусированный ионно-лучевой микроскоп (FIB).

Нанофлюидные каналы, изготовленные с помощью Zeiss Crossbeam 550 L, в кремниевом мастер-штампе ^[2]

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. ^[3] Стандартная фотолитография , объемная или поверхностная микрообработка, методы репликации (тиснение, печать, литье и литье под давлением), а также ядерное трековое или химическое травление ^{[4] [5] [6] [7] [8]} обычно используются для изготовления структур, которые демонстрируют характерное наножидкостное поведение.

Приложения

Из-за небольшого размера жидкостных каналов нанофлюидные структуры естественным образом применяются в ситуациях, требующих обработки образцов в чрезвычайно малых количествах, включая подсчет по Коултеру ^[9], аналитическое разделение и определение биомолекул, таких как белки и ДНК ^{[2] [10]} , а также легкую обработку образцов с ограниченной массой. Одной из наиболее многообещающих областей нанофлюидики является ее потенциал для интеграции в микрофлюидные системы, т. е. 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, ^{[11] [12]} селективно разделять и переносить аналиты по размеру и массе, ^{[11] [13] [14] [15] [16]} эффективно смешивать реагенты, ^[17] и разделять жидкости с различными характеристиками. ^{[11] [18]} Кроме того, существует естественная аналогия между возможностями обработки жидкости нанофлюидными структурами и способностью электронных компонентов управлять потоком электронов и дырок. Эта аналогия была использована для реализации активных электронных функций, таких как выпрямление ^{[19] [20]} и полевой эффект ^{[21] [22] [23]} и биполярный транзистор ^{[24] [25]} действие с ионными токами. Применение нанофлюидики также в нанооптике для создания настраиваемой микролинзовой матрицы ^{[26] [27]}

Нанофлюидика оказала значительное влияние на биотехнологию , медицину и клиническую диагностику благодаря разработке устройств «лаборатория на чипе» для ПЦР и связанных с ними методов. ^{[28] [29]} Были предприняты попытки понять поведение полей течения вокруг наночастиц с точки зрения сил жидкости как функции чисел Рейнольдса и Кнудсена с использованием вычислительной гидродинамики . ^{[30] [31] [32]} 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 блокировка каналов из-за больших макромолекул в жидкости. Кроме того, любые нерастворимые остатки в жидкости могут легко засорить трубку. Решением этой проблемы, которое надеются найти исследователи, является покрытие с низким коэффициентом трения или материалы каналов, которые помогут уменьшить блокировку трубок. Кроме того, большие полимеры, включая биологически значимые молекулы, такие как ДНК, часто сворачиваются in vivo, вызывая закупорки. Типичные молекулы ДНК из вируса имеют длину приблизительно 100–200 килооснований и будут образовывать случайную спираль радиусом около 700 нм в водном растворе при 20%. Это также в несколько раз больше диаметра пор даже больших углеродных трубок и на два порядка больше диаметра однослойной углеродной нанотрубки.

Смотрите также

• Наномеханика
• Нанотехнологии
• Микрофлюидика
• Нанофлюидная схема

Ссылки

1. Райс, CL; Уайтхед, Р. (1965). «Электрокинетический поток в узком цилиндрическом капилляре». Журнал физической химии . 69 (11): 4017–4024. doi :10.1021/j100895a062.
2. Эсмек, Франциска М.; Баят, Парижа; Перес-Уиллард, Фабиан; Волкенандт, Тобиас; Блик, Роберт Х.; Фернандес-Куэста, Ирен (2019). «Скульптура нанофлюидных устройств размером с пластину для анализа одиночных молекул ДНК». Наномасштаб . 11 (28): 13620–13631. дои : 10.1039/C9NR02979F . ISSN  2040-3364. ПМИД  31290915.
3. Карлссон, М.; Дэвидсон, М.; Карлссон, Р.; Карлссон, А.; Бергенхольц, Дж.; Конколи, З.; Есорка, А.; Лобовкина Т.; Хуртиг, Дж.; Войнова, М.; Орвар, О. (2004). «Биомиметические наноразмерные реакторы и сети». Анну. Преподобный физ. Хим . 55 : 613–649. Бибкод : 2004ARPC...55..613K. doi :10.1146/annurev.physchem.55.091602.094319. ПМИД  15117264.
4. Лихтенберг, Дж.; Балтес, Х. (2004). Передовые микро и наносистемы . Том. 1. Уайли. стр. 319–355. ISBN 3-527-30746-X.
5. Миятович, Д.; Эйкель, Дж. К. Т.; ван ден Берг, А. (2005). «Технологии для нанофлюидных систем: сверху вниз против снизу вверх — обзор» (PDF) . Лаборатория на чипе . 5 (5): 492–500. doi :10.1039/b416951d. PMID  15856084.
6. Фернандес-Куэста, Ирен; Лаура Пальмарелли, Анна; Лян, Сяогань; Чжан, Цзинъюй; Дуэй, Скотт; Олиник, Дейрдре; Кабрини, Стефано (2011-11-01). "Изготовление жидкостных устройств с 30 нм наноканалами методом прямого импринтинга". Журнал вакуумной науки и технологий B, Нанотехнологии и микроэлектроника: материалы, обработка, измерения и явления . 29 (6): 06F801. Bibcode : 2011JVSTB..29fF801F. doi : 10.1116/1.3662886. ISSN  2166-2746. S2CID  55086101.
7. Zou, An; Poudel, Sajag; Raut, Sidharth P.; Maroo, Shalabh C. (2019-10-01). «Кипение в бассейне в сочетании с наномасштабным испарением с использованием скрытых наноканалов». Langmuir . 35 (39): 12689–12693. doi :10.1021/acs.langmuir.9b02162. ISSN  0743-7463. PMID  31487190. S2CID  201846195.
8. Пудель, Саджаг; Цзоу, Ан; Мару, Шалаб К. (26 сентября 2019 г.). «Впитывание в перекрестно связанных скрытых наноканалах». Журнал физической химии C. 123 (38): 23529–23534. doi : 10.1021/acs.jpcc.9b06666. ISSN  1932-7447. S2CID  202869692.
9. Салех, О.А.; Сон, Л.Л. (2001). «Количественное определение наномасштабных коллоидов с использованием микрочипового счетчика Коултера». Обзор научных приборов . 72 (12): 4449–4451. Bibcode : 2001RScI...72.4449S. doi : 10.1063/1.1419224.
10. Хан, К.; Джонас, О.Т.; Роберт, Х.А.; Стивен, И.К. (2002). «Градиентные наноструктуры для сопряжения микрофлюидики и нанофлюидики». Applied Physics Letters . 81 (16): 3058–3060. Bibcode : 2002ApPhL..81.3058C. doi : 10.1063/1.1515115.
11. Cannon, JD; Kuo, T.-C.; Bohn, PW; Sweedler, JV (2003). «Нанокапиллярные массивные соединения для контролируемых инъекций аналитов и электрофоретического разделения в многослойных микрофлюидных архитектурах». Аналитическая химия . 75 (10): 2224–2230. doi :10.1021/ac020629f. PMID  12918959.
12. Пардон Г, Гэтти ХК, Стемме Г, ван дер Вейнгаарт В, Роксхед Н (2012). "Pt-Al2O3 двухслойное атомно-слоевое осаждение покрытия в нанопорах с высоким соотношением сторон". Нанотехнология . 24 (1): 015602. Bibcode : 2013Nanot..24a5602P. doi : 10.1088/0957-4484/24/1/015602. PMID  23221022. S2CID  206065831.
13. Рамирес, П.; Мафе, С.; Алькарас, А.; Сервера, Дж. (2003). «Моделирование pH-переключаемого ионного транспорта и селективности в нанопористых мембранах с фиксированными зарядами». Журнал физической химии B. 107 ( 47): 13178–13187. doi :10.1021/jp035778w.
14. Kohli, P.; Harrell, CC; Cao, Z.; Gasparac, R.; Tan, W.; Martin, CR (2004). «ДНК-функционализированные нанотрубчатые мембраны с селективностью несоответствия одного основания». Science . 305 (5686): 984–986. Bibcode :2004Sci...305..984K. doi :10.1126/science.1100024. PMID  15310896. S2CID  28856045.
15. Jirage, KB; Hulteen, JC; Martin, CR (1999). «Влияние хемосорбции тиола на транспортные свойства мембран из золотых нанотрубок». Аналитическая химия . 71 (21): 4913–4918. doi :10.1021/ac990615i. PMID  21662836.
16. Куо, TC; Слоан, LA; Свидлер, JV; Бон, PW (2001). «Управление молекулярным транспортом через нанопористые мембраны путем управления электрокинетическим потоком: влияние поверхностной плотности заряда и длины Дебая». Langmuir . 17 (20): 6298–6303. doi :10.1021/la010429j.
17. Tzu-C. Kuo; Kim, HK; Cannon, DM Jr.; Shannon, MA; Sweedler, JV; Bohn, PW (2004). «Влияние нанокапиллярных массивов на смешивание и реакцию в многослойных жидкостных структурах». Angewandte Chemie International Edition . 43 (14): 1862–1865. doi :10.1002/anie.200353279. PMID  15054797.
18. Fa, K.; Tulock, JJ; Sweedler, JV; Bohn, P. W (2005). «Профилирование градиентов pH через мембраны нанокапиллярного массива, соединяющие микрожидкостные каналы». Журнал Американского химического общества . 127 (40): 13928–13933. doi :10.1021/ja052708p. PMID  16201814.
19. Cervera, J.; Schiedt, B.; Neumann, R.; Mafe, S.; Ramirez, P. (2006). «Ионная проводимость, ректификация и селективность в одиночных конических нанопорах». Журнал химической физики . 124 (10): 104706. Bibcode : 2006JChPh.124j4706C. doi : 10.1063/1.2179797. hdl : 10550/2401 . PMID  16542096.
20. Guan, W.; Fan, R.; Reed, M. (2011). "Полевые реконфигурируемые наножидкостные ионные диоды". Nature Communications . 2 : 506. Bibcode : 2011NatCo...2..506G. doi : 10.1038/ncomms1514 . PMID  22009038.
21. Карник, Р.; Кастелино, К.; Маджумдар, А. (2006). «Управление транспортом белка в наножидкостной транзисторной схеме с помощью полевого эффекта». Applied Physics Letters . 88 (12): 123114. Bibcode : 2006ApPhL..88l3114K. doi : 10.1063/1.2186967.
22. Карник, Р.; Фань, Р.; Юэ, М.; Ли, Д.Й.; Янг, П.Д.; Маджумдар, А. (2005). «Электростатическое управление ионами и молекулами в наножидкостных транзисторах». Nano Letters . 5 (5): 943–948. Bibcode : 2005NanoL...5..943K. doi : 10.1021/nl050493b. PMID  15884899.
23. Пардон Г, ван дер Вейнгаарт В (2013). «Моделирование и имитация электростатически управляемых наноканалов». Достижения в области коллоидной и интерфейсной науки . 199–200: 78–94. doi :10.1016/j.cis.2013.06.006. PMID  23915526.
24. Daiguji, H.; Yang, PD; Majumdar, A. (2004). «Ионный транспорт в наножидкостных каналах». Nano Letters . 4 (1): 137–142. Bibcode : 2004NanoL...4..137D. doi : 10.1021/nl0348185.
25. Vlassiouk, Ivan & Siwy, Zuzanna S. (2007). «Наножидкостный диод». Nano Letters . 7 (3): 552–556. Bibcode : 2007NanoL...7..552V. doi : 10.1021/nl062924b. PMID  17311462.
26. Grilli, S.; Miccio, L.; Vespini, V.; Finizio, A.; De Nicola, S.; Ferraro, Pietro (2008). «Массив жидких микролинз, активированный селективным электросмачиванием на подложках из ниобата лития». Optics Express . 16 (11): 8084–8093. Bibcode : 2008OExpr..16.8084G. doi : 10.1364/OE.16.008084 . PMID  18545521.
27. Ферраро, П. (2008). «Управление тонкими жидкими пленками для настраиваемых массивов микролинз». Optics & Photonics News . 19 (12): 34. doi :10.1364/opn.19.12.000034.
28. Herold, KE; Rasooly, A, ред. (2009). Технология Lab-on-a-Chip: разделение и анализ биомолекул . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-47-9.
29. Хафези, Ф.; Рансинг, Р. С.; Льюис, Р. В. (14.02.2017). «Расчет сопротивления наноцилиндров». Международный журнал численных методов в машиностроении . 111 (11): 1025–1046. Bibcode : 2017IJNME.111.1025H. doi : 10.1002/nme.5489. ISSN  0029-5981. S2CID  125299766.
30. Рой, Субрата; Раджу, Рени; Чуанг, Х. Ф.; Круден, Бретт А. и Мейяппан, М. (2003). «Моделирование течения газа через микроканалы и нанопоры». Журнал прикладной физики . 93 (8): 4870–4879. Bibcode : 2003JAP....93.4870R. doi : 10.1063/1.1559936. hdl : 2027.42/69830 .
31. Купер, SM; Круден, BA; Мейяппан, M; Раджу, R & Рой, S (2004). «Характеристики переноса газа через углеродную нанотрубку». Nano Letters . 4 (2): 337–381. Bibcode : 2004NanoL...4..377C. doi : 10.1021/nl0350682.
32. Эванс, Б. (2018-01-01). «Прогнозирование сопротивления наночастиц при низком числе Рейнольдса с использованием подхода прямого решения Больцмана–БГК». Журнал вычислительной физики . 352 : 123–141. Bibcode : 2018JCoPh.352..123E. doi : 10.1016/j.jcp.2017.09.038. ISSN  0021-9991.