Nanofluidik

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 25. januar 2015; checks kræver 7 redigeringer .

Nanofluidik eller nanohydrodynamik  er en gren af ​​hydrodynamik af nanostrukturerede væsker. Nanofluidics er studiet af adfærd, kontrol og styring af væsker begrænset af nanometerstrukturer. I denne tilstand udviser væsken egenskaber, der er atypiske for bulktilstanden, for eksempel en kraftig stigning eller fald i viskositeten nær væggene af nanokapillærer, en ændring i væskens termodynamiske parametre samt atypisk kemisk aktivitet i grænsefladen mellem den faste og flydende fase. Grunden til dette er, at væskens karakteristiske parametre, såsom Debye-længden , den hydrodynamiske radius bliver i forhold til dimensionerne af den struktur, der begrænser væsken [1] .

Figuren viser en membranstruktur baseret på en række nanokapillærer . Radius af hver kapillær er af samme størrelsesorden som Debye-længden af ​​væsken, der strømmer gennem den.

Teori

I 1965 udgav Rice og Whitehead en banebrydende artikel om teorien om transport af elektrolytopløsninger i lange (ideelt set uendelige) nanometerdiameter kapillærer. [2] I deres model er potentialet ϕ ved den radiale afstand r givet af Poisson-Boltzmann-ligningen , hvor κ  er den reciproke Debye-længde , som afhænger af ionkoncentrationen n , den dielektriske konstant ε , Boltzmann-konstanten k , og temperaturen T. Efter at have bestemt den radiale afhængighed af potentialet φ(r) , kan man finde ladningstætheden ud fra Poisson-ligningen , hvis løsning kan repræsenteres som en modificeret førsteordens Bessel-funktion I 0 og normaliseret til kapillærradius a . Bevægelsesligningen, der tager højde for tryk og elektrisk styret væskestrøm, kan skrives i form, hvor η  er viskositeten, dp/dz  er trykgradienten, F z er kropskraften  afhængig af det påførte elektriske felt , og Ez  er nettoladningstætheden i det dobbelte elektriske lag. Når der ikke påføres tryk på kapillæren, kan den radiale hastighedsfordeling tilnærmelsesvis repræsenteres ved følgende udtryk: Det følger af denne ligning, at væskestrømmen i nanokapillærer styres af produktet κa , dvs. afhænger af Debye-længden og poreradius . Væskestrømmen kan således styres ved at ændre disse to parametre og ved at ændre overfladeladningstætheden.







Fremstilling

]

Nanostrukturer, hvor de betingelser, der er nødvendige for væskestrømskontrol realiseres, kan fremstilles i form af isolerede cylindriske kanaler, nanospalter eller i form af en række nanokanaler i materialer som silicium, glas, polymerer (såsom PMMA , PDMS membraner af polypropylen) og syntetiske porestrukturer. [4] Konventionel fotolitografi , bulk- eller overflademikrobearbejdning, kopieringsteknikker (prægning, trykning, sprøjtestøbning og sprøjtestøbning), såvel som tunge partikelspor og kemisk ætsning [5] [6] kan også bruges til at skabe strukturer, der udviser adfærd beskrevet af nanofluidics.

Ansøgning

På grund af væskekanalernes lille størrelse kan nanofluidiske strukturer anvendes i tilfælde, hvor de genstande, der undersøges, skal tages i meget små mængder, for eksempel i Coulter-tællere [7] , ved analytisk adskillelse og bestemmelse af biomolekyler såsom proteiner og DNA [8] såvel som i anordninger til bekvem indfangning af prøver med lille masse. En af de mest lovende applikationer for nanofluidiske enheder er potentialet for, at de kan indlejres i mikrofluidiske systemer såsom integrerede mikroanalytiske systemer eller laboratorier-på-en-chip . For eksempel kan membraner baseret på et nanokapillært array, der er indlejret i mikrofluidiske enheder, reproducerbart udføre digital omskiftning, som gør det muligt at omdirigere væske fra en mikrofluidisk kanal til en anden [9] , selektivt adskille og omdirigere de undersøgte stoffer efter størrelse og masse [9] ] [10] [11] [12] [13] , bland effektivt reaktanter [14] og adskille væsker med forskellige egenskaber [9] [15] . Der er også en naturlig analogi mellem evnen til at kontrollere væske i nanofluidiske strukturer og elektroniske komponenters evne til at kontrollere strømmen af ​​elektroner og huller. Denne analogi kan bruges til at skabe aktive komponenter til styring af ionstrømme, såsom en ensretter [16] , en felteffekt [ 17] [18] og en bipolær transistor [19] [20] . Brugen af ​​nanofluidik er også mulig inden for nanooptik til at skabe indstillelige arrays af mikrolinser [21] [22]

Nanofluidics kan have en betydelig indflydelse på udviklingen af ​​bioteknologi , medicin og klinisk diagnostik, hvis der udvikles laboratorie-på-en-chip- enheder til PCR og lignende teknikker [23] .

Da nanofluidics er på et tidligt udviklingsstadium, kan vi forvente nye retninger for brugen af ​​nanofluidic enheder i de kommende år.

Problemer

Der er mange problemer forbundet med strømmen af ​​væsker gennem kulstofnanorør og -rør. Hovedproblemet er blokeringen af ​​kanalen af ​​makromolekyler og uopløselige urenheder i væsken. Løsningen på dette problem kunne være skabelsen af ​​kanalbelægninger med en lav friktionskoefficient eller valget af et kanalmateriale, der hjælper med at reducere blokeringseffekten. Også takket være den store størrelse af polymerer, herunder biologisk betydningsfulde molekyler såsom DNA, som ofte er foldet i kroppen. Dette forårsager okklusion, fordi for eksempel et typisk viralt DNA-molekyle er ca. 100-200 tusinde heterocykliske nukleinsyrebaser langt og danner en tilfældig spole med en radius på ca. 700 nm i en 20% vandig opløsning. Denne størrelse er flere gange større end porediameteren af ​​store kulstofrør og to størrelsesordener større end diameteren af ​​et enkeltvægget kulstofnanorør.

Se også

Noter

  1. ↑ Nanofluidics (utilgængeligt link) . Føderal internetportal "Nanoteknologier og nanomaterialer". Hentet 21. april 2010. Arkiveret fra originalen 23. april 2012. 
  2. ↑ CL Rice, R. Whitehead. Elektrokinetisk strømning i en smal cylindrisk kapillar  //  Journal of Physical Chemistry . - 1965. - Bd. 69 , nr. 11 . - S. 4017-4024 .
  3. ↑ Esmek, Franziska M.; Bayat, Parisa; Perez-Willard, Fabian; Volkenandt, Tobias; Blick, Robert H.; Fernandez-Cuesta, Irene. Skulptur af wafer-skala nanofluidic enheder til DNA enkelt molekyle analyse  //  Nanoscale: journal. - 2019. - Bd. 11 , nr. 28 . - S. 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. Biomimetiske reaktorer og netværk i nanoskala  (engelsk)  // Annual Review of Physical Chemistry . - 2004. - Bd. 55 . - s. 613-649 .
  5. ↑ H. Baltes, O. Brand, G. K. Fedder, C. Hierold, J. G. Korvink, O. Tabata. Bind 1: Enabling Technology for MEMS and Nanodevices // Avancerede mikro- og nanosystemer . - Wiley-VCH, 2004. - T. 1. - S. 319-355. — 439 s. - (Lille lille teknologi - Kæmpe potentiale). — ISBN 978-3-527-30746-3 .
  6. ↑ D. Mijatovic, JCT Eijkel, A. van den Berg. Teknologier til nanofluidiske systemer: top-down vs. bottom-up—en anmeldelse  // Lab on a Chip  . - 2005. - Bd. 5 , nr. 5 . - S. 492-500 .
  7. ↑ Saleh OA, Sohn LL Kvantitativ sansning af kolloider i nanoskala ved hjælp af en mikrochip Coulter-tæller  // Review of Scientific Instruments  . - 2001. - Bd. 72 , nr. 12 . - P. 4449-4451 .
  8. ↑ Han C., Jonas OT, Robert HA, Stephen YC Gradient nanostrukturer til grænseflader mellem mikrofluidik og nanofluidik  // Applied Physics Letters  . - 2002. - Bd. 81 , nr. 16 . - S. 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. - Bd. 75 , nr. 10 . - S. 2224-2230 .
  10. ↑ Ramirez P., Mafe S., Alcaraz A., Cervera J. Modellering af pH-omskiftelig iontransport og selektivitet i Nanopore-membraner med faste ladninger  //  Journal of Physical Chemistry B . - 2003. - Bd. 107 , nr. 47 . - P. 13178-13187 .
  11. ↑ Kohli P., Harrell CC, Cao Z., Gasparac R., Tan W., Martin CR DNA -funktionaliserede nanorørmembraner  med enkeltbase mismatchselektivitet  // Videnskab . - 2004. - Bd. 305 , nr. 5686 . - S. 984-986 .
  12. ↑ Jirage KB, Hulteen JC, Martin CR Effekt af thiolkemisorption på transportegenskaberne af guldnanorørmembraner   // Analytisk kemi . - 1999. - Bd. 71 , nr. 51 . - P. 4913-4918 .
  13. ↑ Kuo TC, Sloan LA, Sweedler JV, Bohn PW Manipulering af molekylær transport gennem nanoporøse membraner ved kontrol af elektrokinetisk flow : Effekt af overfladeladningstæthed og debyelængde   // Langmuir . - 2001. - Bd. 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. - Bd. 43 , nr. 14 . - S. 1862-1865 .
  15. ↑ Fa K., Tulock JJ, Sweedler JV, Bohn PW Profilering af pH-gradienter på tværs af nanokapillære array-membraner, der forbinder mikrofluidiske kanaler  //  Journal of the American Chemical Society . - 2005. - Bd. 127 , nr. 40 . - P. 13928-13933 .
  16. ↑ Cervera J., Schiedt B., Neumann R., Mafe S., Ramirez P. Ionisk ledning, rektifikation og selektivitet i enkelte koniske nanoporer  //  Journal of Chemical Physics . - 2006. - Bd. 124 , nr. 10 . — S. 104706 .
  17. ↑ Karnik R., Castelino K., Majumdar A. Field-effect control of protein transport in a nanofluidic transistor circuit  // Applied Physics Letters  . - 2006. - Bd. 88 , nr. 12 . — S. 123114 .
  18. ↑ Karnik R., Fan R., Yue M., Li DY, Yang PD, Majumdar A. Elektrostatisk kontrol af ioner og molekyler i  nanofluidtransistorer  // NanoLetters . - 2005. - Bd. 5 , nr. 5 . - S. 943-948 .
  19. ↑ Daiguji H., Yang PD, Majumdar A. Iontransport i nanofluidkanaler   // NanoLetters . - 2004. - Bd. 4 , nr. 1 . - S. 137-142 .
  20. ↑ Vlassiouk I., Siwy ZS Nanofluidic Diode   // NanoLetters . - 2007. - Bd. 7 , nr. 3 . - S. 552-556 .
  21. ↑ Grilli S., Miccio L., Vespini V., Finizio A., De Nicola S., Ferraro P. Flydende mikrolinsearray aktiveret ved selektiv elektrobefugtning på lithiumniobatsubstrater  // Optics Express  . - 2008. - Bd. 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  // Optics and Photonics News  . - 2008. - Bd. 19 , nr. 12 . - S. 34-34 .
  23. ↑ Herold KE, Rasooly A. (redaktører). Lab-on-a-Chip-teknologi (Vol. 2): Biomolekylær separation og analyse . - Caister Academic Press, 2009. - ISBN 978-1-904455-47-9 .

Litteratur

 Nanoteknologi
Beslægtede videnskaber
Personligheder
VilkårNanopartikel
Teknologi
Andet