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Nanofluídica

Diagrama esquemático de una realización particular de nanofluídica en una membrana de matriz nanocapilar, o NCAM. La NCAM está compuesta por una gran cantidad de nanocapilares paralelos, cada uno de los cuales tiene un radio de poro, a/2 , que es aproximadamente del mismo tamaño que la longitud de Debye, κ −1 . La doble capa eléctrica se caracteriza por una distribución de contraiones, N , que es mayor en la pared del poro y se desintegra hacia el centro del poro.

La nanofluídica es el estudio del comportamiento, la manipulación y el control de fluidos confinados en estructuras de dimensiones características nanométricas (normalmente de 1 a 100 nm) (1 nm = 10 −9 m). Los fluidos confinados en estas estructuras presentan comportamientos físicos que no se observan en estructuras más grandes, como las de dimensiones micrométricas y superiores, porque las longitudes de escala físicas características del fluido ( por ejemplo , longitud de Debye , radio hidrodinámico ) coinciden muy de cerca con las dimensiones de la propia nanoestructura .

Cuando las estructuras se aproximan al régimen de tamaño correspondiente a las longitudes de escala molecular, se imponen nuevas restricciones físicas al comportamiento del fluido. Por ejemplo, estas restricciones físicas inducen a regiones del fluido a exhibir nuevas propiedades no observadas en masa, por ejemplo, una viscosidad enormemente aumentada cerca de la pared del poro; pueden producir cambios en las propiedades termodinámicas y también pueden alterar la reactividad química de las especies en la interfaz fluido-sólido . Un ejemplo particularmente relevante y útil lo muestran las soluciones de electrolitos confinadas en nanoporos que contienen cargas superficiales , es decir , en interfaces electrificadas, como se muestra en la membrana de matriz nanocapilar (NCAM) en la figura adjunta.

Todas las interfaces electrificadas inducen una distribución de carga organizada cerca de la superficie conocida como doble capa eléctrica . En poros de dimensiones nanométricas, la doble capa eléctrica puede abarcar completamente el ancho del nanoporo, lo que resulta en cambios dramáticos en la composición del fluido y las propiedades relacionadas del movimiento del fluido en la estructura. Por ejemplo, la relación superficie-volumen drásticamente mejorada del poro da como resultado una preponderancia de contraiones ( es decir, iones cargados de manera opuesta a las cargas estáticas de la pared) sobre co-iones (que poseen el mismo signo que las cargas de la pared), en muchos casos hasta la exclusión casi completa de co-iones, de modo que solo existe una especie iónica en el poro. Esto se puede utilizar para la manipulación de especies con polaridad selectiva a lo largo de la longitud del poro para lograr esquemas de manipulación fluídica inusuales que no son posibles en estructuras micrométricas y más grandes.

Teoría

En 1965, Rice y Whitehead publicaron la contribución seminal a la teoría del transporte de soluciones electrolíticas en capilares largos (idealmente infinitos) de diámetro nanométrico. [1] Brevemente, el potencial , ϕ , a una distancia radial, r , está dado por la ecuación de Poisson-Boltzmann ,

donde κ es la longitud inversa de Debye ,

determinada por la densidad numérica de iones , n , la constante dieléctrica , ε , la constante de Boltzmann , k , y la temperatura, T. Conociendo el potencial, φ(r) , la densidad de carga se puede recuperar a partir de la ecuación de Poisson , cuya solución se puede expresar como una función de Bessel modificada de primera clase, I 0 , y escalada al radio capilar, a . Una ecuación de movimiento bajo presión combinada y flujo impulsado eléctricamente se puede escribir entonces,

donde η es la viscosidad, dp/dz es el gradiente de presión y F z es la fuerza del cuerpo impulsada por la acción del campo eléctrico aplicado , E z , sobre la densidad de carga neta en la doble capa. Cuando no hay presión aplicada, la distribución radial de la velocidad está dada por,

De la ecuación anterior se desprende que el flujo de fluido en los nanocapilares está determinado por el producto κa , es decir, los tamaños relativos de la longitud de Debye y el radio de los poros. Al ajustar estos dos parámetros y la densidad de carga superficial de los nanoporos, el flujo de fluido se puede manipular como se desee.

Fabricación

Carl Zeiss Crossbeam 550: combina un microscopio electrónico de barrido por emisión de campo (FE-SEM) con un haz de iones enfocado (FIB).
Canales nanofluídicos fabricados con un Zeiss Crossbeam 550 L, en un sello maestro de silicio [2]

Las nanoestructuras se pueden fabricar como canales cilíndricos individuales, nanorendijas o matrices de nanocanales a partir de materiales como silicio, vidrio, polímeros (por ejemplo , PMMA , PDMS , PCTE) y vesículas sintéticas. [3] La fotolitografía estándar , el micromaquinado en masa o de superficie, las técnicas de replicación (estampado, impresión, fundición y moldeo por inyección) y el grabado químico o de pistas nucleares, [4] [5] [6] [7] [8] se utilizan comúnmente para fabricar estructuras que exhiben un comportamiento nanofluídico característico.

Aplicaciones

Debido al pequeño tamaño de los conductos fluídicos, las estructuras nanofluídicas se aplican naturalmente en situaciones que exigen que las muestras se manipulen en cantidades extremadamente pequeñas, incluido el recuento de Coulter, [9] las separaciones analíticas y las determinaciones de biomoléculas, como las proteínas y el ADN, [2] [10] y el manejo fácil de muestras de masa limitada. Una de las áreas más prometedoras de la nanofluídica es su potencial para la integración en sistemas microfluídicos, es decir, sistemas analíticos micrototales o estructuras de laboratorio en un chip . Por ejemplo, los NCAM, cuando se incorporan a dispositivos microfluídicos, pueden realizar una conmutación digital de forma reproducible, lo que permite la transferencia de fluido de un canal microfluídico a otro, [11] [12] separar y transferir analitos de forma selectiva por tamaño y masa, [11] [13] [14] [15] [16] mezclar reactivos de manera eficiente, [17] y separar fluidos con características dispares. [11] [18] Además, existe una analogía natural entre las capacidades de manejo de fluidos de las estructuras nanofluídicas y la capacidad de los componentes electrónicos para controlar el flujo de electrones y huecos. Esta analogía se ha utilizado para realizar funciones electrónicas activas como la rectificación [19] [20] y la acción de efecto de campo [21] [22] [23] y transistor bipolar [24] [25] con corrientes iónicas. La nanofluídica también se aplica a la nanoóptica para producir una matriz de microlentes sintonizables [26] [27]

La nanofluídica ha tenido un impacto significativo en la biotecnología , la medicina y el diagnóstico clínico con el desarrollo de dispositivos de laboratorio en un chip para PCR y técnicas relacionadas. [28] [29] Se han realizado intentos para comprender el comportamiento de los campos de flujo alrededor de las nanopartículas en términos de fuerzas de fluidos en función del número de Reynolds y Knudsen utilizando dinámica de fluidos computacional . [30] [31] [32] Se ha demostrado que la relación entre la sustentación, la resistencia y el número de Reynolds difiere dramáticamente a escala nanométrica en comparación con la dinámica de fluidos a escala macroscópica.

Desafíos

Existen diversos desafíos asociados con el flujo de líquidos a través de nanotubos y nanotubos de carbono. Un problema común es el bloqueo de los canales debido a las grandes macromoléculas en el líquido. Además, cualquier residuo insoluble en el líquido puede obstruir fácilmente el tubo. Una solución para esto que los investigadores esperan encontrar es un revestimiento de baja fricción o materiales para los canales que ayuden a reducir el bloqueo de los tubos. Además, los polímeros grandes, incluidas las moléculas biológicamente relevantes como el ADN, a menudo se pliegan in vivo, lo que causa bloqueos. Las moléculas de ADN típicas de un virus tienen longitudes de aproximadamente 100 a 200 kilobases y formarán una espiral aleatoria con un radio de unos 700 nm en una solución acuosa al 20 %. Esto también es varias veces mayor que el diámetro de poro de incluso los tubos de carbono grandes y dos órdenes de magnitud del diámetro de un nanotubo de carbono de pared simple.

Véase también

Referencias

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