Los circuitos nanofluídicos son una nanotecnología que tiene como objetivo el control de fluidos a escala nanométrica . Debido al efecto de una doble capa eléctrica dentro del canal de fluido, se observa que el comportamiento del nanofluido es significativamente diferente en comparación con sus homólogos de microfluidos . Sus dimensiones características típicas se encuentran dentro del rango de 1 a 100 nm. Al menos una dimensión de la estructura está en escala nanoscópica . Se descubre que los fenómenos de fluidos en estructuras a nanoescala tienen diferentes propiedades en electroquímica y dinámica de fluidos .
Con el desarrollo de la microfabricación y la nanotecnología, el estudio de la microfluídica y la nanofluídica está atrayendo cada vez más atención. [1] La investigación sobre microfluidos encontró sus ventajas en el análisis de ADN, el laboratorio en un chip y el micro-TAS. Los dispositivos de un sistema de microfluidos incluyen canales, válvulas, mezcladores y bombas. La integración de estos dispositivos de microfluidos permite clasificar, transportar y mezclar sustancias dentro de los fluidos. Sin embargo, el fallo de las piezas móviles de estos sistemas suele ser el problema crítico y el principal inconveniente. Siempre se desean mecanismos para controlar el flujo sin utilizar piezas mecánicas por su confiabilidad y vida útil. [2]
En 1997, Wei, Bard y Feldberg descubrieron que la rectificación de iones se produce en la punta de un tubo de tamaño nanométrico. [3] Observaron que la carga superficial en la pared de una nanopipeta inducía un potencial eléctrico no neutro dentro del orificio. Luego, el potencial eléctrico modifica la concentración de especies de iones, lo que da como resultado una característica de corriente-voltaje asimétrica para la corriente que pasa por la pipeta.
El transporte de iones en el electrolito se puede ajustar ajustando el valor del pH en una solución iónica diluida o introduciendo un potencial eléctrico externo para cambiar la densidad de carga superficial de la pared. [4] Como analogía con los dispositivos semiconductores, el mecanismo para controlar el transporte de portadores de carga en dispositivos electrónicos se estableció en el área de los nanofluidos. En nanofluidos, el control activo del transporte de iones se realiza mediante canales o poros a nanoescala.
Los esfuerzos de investigación sobre sistemas fluídicos a microescala comenzaron a centrarse en los fenómenos rectificadores, que sólo pueden verse en sistemas a nanoescala. En 2006, el profesor Majumdar y el profesor Yang de la Universidad de California en Berkeley construyeron el primer transistor "nanofluídico". El transistor se puede encender o apagar mediante una señal eléctrica externa, lo que permite el control de fluidos iónicos en un canal a nanoescala. Su trabajo implica la posibilidad de crear un circuito nanofluídico con funciones lógicas.
Los principales investigadores en el área de dispositivos nanofluídicos incluyen a Arun Majumdar y Peidong Yang de la Universidad de California - Berkeley, Harold Craighead y Brian Kirbyat de la Universidad de Cornell, Juan Santiago de la Universidad de Stanford, Albert van den Berg de la Universidad de Twente, Zuzanna Siwy de la Universidad de California - Irvine y Mark Shannon en la Universidad de Illinois - Urbana-Champaign.
Para una solución de electrolito en un canal con un radio de macro o microescala, las cargas superficiales en la pared atraen contraiones y repelen coiones debido a la fuerza electrostática. Por tanto, existe una doble capa eléctrica entre la pared del canal y la solución. La dimensión de la doble capa eléctrica está determinada por la longitud de Debye en este sistema, que normalmente es mucho menor que el radio del canal. La mayor parte de la solución en el canal es eléctricamente neutra debido al efecto de blindaje de la doble capa eléctrica.
Sin embargo, en un nanocanal, la solución se carga cuando la dimensión del radio del canal es menor que la longitud de Debye . Por tanto, es posible manipular el flujo de iones dentro del nanocanal introduciendo cargas superficiales en la pared o aplicando un potencial eléctrico externo.
La concentración iónica de la solución tiene un efecto importante sobre el transporte de iones. Porque una mayor concentración conduce a una longitud de Debye más corta para la doble capa eléctrica en la pared del canal. Su efecto rectificador disminuye al aumentar la concentración iónica. Por otro lado, la rectificación de iones se puede mejorar teniendo una solución diluida.
Para analizar el transporte de iones en el canal, es necesario considerar el comportamiento del sistema en electroquímica y mecánica de fluidos. Las ecuaciones de Poisson-Nernst-Planck (PNP) se utilizan para describir la corriente iónica que fluye a través de un canal, y las ecuaciones de Navier-Stokes (NS) se utilizan para representar la dinámica de fluidos en el canal.
Las ecuaciones PNP constan de la ecuación de Poisson : [5] [6]
y las ecuaciones de Nernst-Planck , que dan el flujo de partículas de especies de iones debido a un gradiente de concentración y un gradiente de potencial eléctrico:
donde es el potencial electrostático, es la unidad de carga del electrón, es la permitividad en el vacío y es la constante dieléctrica de la solución; , y son la difusividad, la densidad numérica de los iones y la valencia de las especies de iones .
La solución en estado estacionario satisface la ecuación de continuidad. Para describir el campo de velocidad del fluido en el canal, utilizando las ecuaciones de Navier-Stokes :
donde , , y son presión, vector de velocidad, viscosidad y densidad del fluido, respectivamente. Las ecuaciones anteriores generalmente se resuelven con algoritmos numéricos para determinar la velocidad, la presión, el potencial eléctrico y la concentración iónica en el fluido, así como el flujo de corriente eléctrica a través del canal.
La selectividad iónica se define para evaluar el rendimiento de un nanocanal para el control del flujo iónico. [7] La selectividad iónica es la relación entre la diferencia en las corrientes de los portadores mayoritarios y minoritarios y la corriente total transportada por los iones positivos y negativos . Para un nanocanal con control perfecto sobre cationes y aniones, la selectividad es la unidad. Para un nanocanal sin control de flujo iónico, la selectividad es cero.
Los diodos nanofluídicos se utilizan para la rectificación del transporte iónico. [8] [9] [10] Un diodo en los circuitos electrónicos limita el flujo de corriente eléctrica en una dirección. Un diodo nanofluídico tiene la misma función de restringir el flujo iónico en una dirección. Un diodo nanofluídico es un canal con un radio de varios nanómetros. La superficie interior del canal está recubierta de cargas superficiales. La rectificación de corriente puede ocurrir cuando las cargas superficiales en la pared son del mismo signo. También se observa que, cuando la mitad del canal está recubierta con signo opuesto o eléctricamente neutro, se potenciará la rectificación.
Cuando la pared del canal está recubierta con cargas positivas, los iones cargados negativamente en el electrolito serán atraídos y acumulados dentro del canal. En este caso, el flujo de cargas positivas que pasan por el canal no es favorable, lo que provoca una disminución de la corriente iónica. Por lo tanto, la corriente iónica se vuelve asimétrica si se invierte el voltaje de polarización.
Al aplicar un electrodo adicional en un nanocanal como electrodo de puerta, es posible ajustar el potencial eléctrico dentro del canal. [11] [12] Se puede fabricar un transistor de efecto de campo nanofluídico a partir de nanotubos de sílice con un óxido como material dieléctrico entre el electrodo de puerta metálica y el canal. [13] La sintonización de la corriente iónica, por lo tanto, se puede lograr cambiando el voltaje aplicado en la puerta. La polarización de puerta y la polarización de fuente-drenaje se aplican para ajustar la concentración de cationes y aniones dentro del nanocanal, sintonizando así la corriente iónica que fluye a través de él. [14]
Este concepto es una analogía con la estructura de un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET) en circuitos electrónicos. Al igual que un MOSFET, un transistor nanofluídico es el elemento fundamental para construir un circuito nanofluídico. Existe la posibilidad de lograr un circuito nanofluídico que sea capaz de realizar operaciones lógicas y manipular partículas iónicas.
Dado que la conductancia del flujo de corriente iónica está controlada por el voltaje de la compuerta, se desea utilizar un material con una constante dieléctrica alta como pared del canal. En este caso, se ve un campo más fuerte dentro del canal debido a una capacitancia de puerta más alta . También se desea una superficie de canal con una carga superficial baja para fortalecer el efecto de la sintonización potencial mediante electrodo de puerta. Esto aumenta la capacidad de sintonizar espacial y temporalmente el entorno iónico y electrostático en el canal.
Al introducir un efecto de campo asimétrico a lo largo del nanocanal, es factible un diodo nanofluídico reconfigurable con efecto de campo, [16] que presenta una reconfiguración posterior a la fabricación de las funciones del diodo, como las direcciones de avance/retroceso y los grados de rectificación. A diferencia del transistor de efecto de campo nanofluídico, donde solo la cantidad de iones/moléculas está regulada por un potencial electrostático, el diodo reconfigurable de efecto de campo se puede utilizar para controlar ambas direcciones y magnitudes del transporte de iones/moléculas. Este dispositivo podría considerarse como los componentes básicos de la contraparte iónica del conjunto de puertas electrónicas programables en campo.
Los transistores bipolares iónicos se pueden fabricar a partir de dos canales cónicos con la abertura más pequeña en dimensiones nanométricas. Al introducir cargas superficiales opuestas en cada lado, puede rectificar la corriente iónica como un diodo iónico. Un transistor bipolar iónico se construye combinando dos diodos iónicos y formando una unión PNP a lo largo de la superficie interna del canal. Si bien la corriente iónica va desde el extremo del emisor hasta el extremo del colector, el electrodo base puede modular la intensidad de la corriente. La carga superficial en la pared del canal se puede modificar mediante métodos químicos, cambiando la concentración del electrolito o el valor del pH.
El triodo nanofuídico es un dispositivo nanofluídico de doble unión de tres terminales compuesto por nanocanales de alúmina con carga positiva y sílice con carga negativa. [17] El dispositivo es esencialmente un transistor de unión bipolar de tres terminales. Al controlar el voltaje entre los terminales del emisor y del colector, se puede regular la corriente iónica desde el terminal de la base a uno de los otros dos terminales, funcionando como un interruptor iónico unipolar de dos posiciones.
Cuando hay cargas superficiales en la pared de un canal de ancho microescalado, los contraiones son atraídos y los coiones son repelidos por la fuerza electrostática. Los contraiones forman una zona protectora cerca de la pared. Esta región penetra en la solución hasta una cierta distancia llamada longitud de Debye hasta que el potencial eléctrico decae al valor general de neutralidad. La longitud de Debye suele oscilar entre 1 nm y 100 nm para soluciones acuosas.
En los nanocanales, la longitud de Debye suele ser comparable con el ancho del canal, por lo que se carga la solución dentro del canal. Los iones dentro del fluido ya no están protegidos de la carga superficial. En cambio, la carga superficial afecta la dinámica de los iones dentro de un nanocanal.
Se requiere que un canal sea estrecho y largo para que tenga una buena selectividad. En otras palabras, un canal con una relación de aspecto alta tiene una mejor selectividad. Para aumentar aún más su selectividad, se requiere tener una pared muy cargada. [7]
El rendimiento de la selectividad iónica también se relacionó en gran medida con el sesgo aplicado. Con un sesgo bajo, se observa una alta selectividad. Con el aumento del voltaje de polarización, hay una aparente disminución en la selectividad. Para un nanocanal con una relación de aspecto baja, es posible una alta selectividad cuando el voltaje de polarización es bajo.
La ventaja de los dispositivos nanofluídicos es su viabilidad de integrarse con circuitos electrónicos. Debido a que se construyen utilizando la misma tecnología de fabricación, es posible crear un sistema nanofluídico con un circuito integrado digital en un solo chip. Por tanto, el control y manipulación de partículas en el electrolito se puede lograr en tiempo real. [19]
La fabricación de nanocanales se clasifica en métodos de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba. Los métodos de arriba hacia abajo son los procesos convencionales utilizados en la industria de circuitos integrados y en la investigación de sistemas microelectromecánicos . Comienza con la fotolitografía sobre una oblea de silicio a granel. Los métodos ascendentes, por el contrario, comienzan con átomos o moléculas con una dimensión intrínseca a nanoescala. Al organizar y combinar estos bloques de construcción, es capaz de formar nanoestructuras tan pequeñas como unos pocos nanómetros.
Un método típico de fabricación de arriba hacia abajo incluye fotolitografía para definir la geometría de los canales en una oblea de sustrato. La geometría se crea mediante varios pasos de deposición de películas delgadas y grabado para formar zanjas. Luego, la oblea de sustrato se une a otra oblea para sellar las zanjas y formar canales. Otras tecnologías para fabricar nanocanales incluyen el micromecanizado de superficies con capas de sacrificio, la litografía por nanoimpresión y la litografía blanda.
El método más común utilizado para la fabricación de abajo hacia arriba son las monocapas autoensambladas (SAM). Este método suele utilizar materiales biológicos para formar una monocapa molecular sobre el sustrato. También se pueden fabricar nanocanales a partir del crecimiento de nanotubos de carbono (CNT) y cables cuánticos. Los métodos ascendentes suelen dar formas bien definidas con una longitud característica de unos pocos nanómetros. Para que estas estructuras se utilicen como dispositivos nanofluídicos, la interconexión entre los nanocanales y los sistemas microfluídicos se convierte en una cuestión importante.
Existen varias formas de recubrir la superficie interior con cargas específicas. Se pueden utilizar patrones de difusión limitada porque una solución a granel solo penetra la entrada de un nanocanal dentro de una cierta distancia. Porque la velocidad de difusión es diferente para cada reactivo. Al introducir varios pasos de reactivos que fluyen hacia el nanocanal, es posible modelar la superficie con diferentes cargas superficiales dentro del canal. [20]
Se han construido dispositivos nanofluídicos para su aplicación en química, biología molecular y medicina. Los objetivos principales del uso de dispositivos nanofluídicos son la separación y medición de soluciones que contienen nanopartículas para la administración de fármacos, terapia génica y toxicología de nanopartículas en un sistema de análisis micrototal. [21] Una ventaja importante de los sistemas a micro y nanoescala es la pequeña cantidad de muestra o reactivo utilizado en el análisis. Esto reduce el tiempo necesario para el procesamiento de muestras. También es posible realizar análisis en una matriz, lo que acelera aún más los procesos y aumenta el rendimiento del análisis.
Los nanocanales se utilizan para lograr la detección y el diagnóstico de una sola molécula, así como la separación del ADN. En muchos casos, los dispositivos nanofluídicos están integrados dentro de un sistema microfluídico para facilitar el funcionamiento lógico de los fluidos. El futuro de los sistemas nanofluídicos se centrará en varias áreas, como la química y la bioquímica analíticas, el transporte y la medición de líquidos y la conversión de energía.
En nanofluidos, los números de valencia de los iones determinan sus velocidades electroforéticas netas . En otras palabras, la velocidad de un ion en el nanocanal está relacionada no sólo con su movilidad iónica sino también con su valencia iónica. Esto permite la función de clasificación de los nanofluidos, que no se puede realizar en un microcanal. Por lo tanto, es posible clasificar y separar ADN de cadena corta mediante el uso de un nanocanal. Para la aplicación de ADN de una sola molécula, el objetivo final es secuenciar una hebra de ADN genómico con un resultado reproducible y preciso. También se puede encontrar una aplicación similar en cromatografía o separación de varios ingredientes en la solución.
También se puede encontrar aplicación en la síntesis de fibras. Se pueden crear fibras poliméricas electrohilando los monómeros en una interfaz entre el líquido y el vacío. Una estructura polimérica organizada se forma a partir de un flujo de monómeros que se alinean sobre un sustrato.
También hay un intento de llevar la tecnología de nanofluidos a la conversión de energía. En este caso, la pared cargada eléctricamente se comporta como estator, mientras que la solución que fluye como rotor. Se observa que cuando el disolvente impulsado por presión fluye a través de un nanocanal cargado, puede generar una corriente de flujo y un potencial de flujo. Este fenómeno se puede utilizar en la recolección de energía eléctrica.
Los avances en las técnicas de nanofabricación y las preocupaciones sobre la escasez de energía hacen que la gente se interese en esta idea. El principal desafío es aumentar la eficiencia, que ahora es sólo de un pequeño porcentaje, en comparación con eficiencias de hasta aproximadamente el 95 por ciento de los generadores electromagnéticos rotacionales estándar.
Estudios recientes se centran en la integración de dispositivos nanofluídicos en microsistemas. Se debe crear una interfaz para la conexión entre dos escalas de longitud. Un sistema con dispositivos exclusivamente nanofluídicos independientes no es práctico porque requeriría una gran presión de conducción para que los fluidos fluyan hacia el nanocanal. [22]
Los dispositivos nanofluídicos son poderosos por su alta sensibilidad y manipulación precisa de materiales de muestra incluso hasta una sola molécula. Sin embargo, el inconveniente de los sistemas de separación nanofuídicos es el rendimiento de muestra relativamente bajo y su resultado en la detección. Un posible enfoque para abordar el problema es utilizar canales de separación paralelos con detección paralela en cada canal. Además, es necesario crear un mejor enfoque para la detección en vista de las cantidades muy pequeñas de moléculas presentes.
Uno de los mayores desafíos en esta área de investigación se debe al peculiar efecto de tamaño. Los investigadores intentan resolver los problemas causados por las relaciones superficie-volumen extremadamente altas. En estas condiciones, la adsorción de moléculas puede provocar grandes pérdidas y también puede cambiar las propiedades de la superficie.
Otro problema surge cuando la muestra para la detección es una molécula relativamente grande, como ADN o proteína. En la aplicación de moléculas grandes, la obstrucción es una preocupación porque el pequeño tamaño del nanocanal hace que esto suceda fácilmente. Se desea un revestimiento de baja fricción en la superficie interior del canal para evitar el bloqueo de los canales de fluido en esta aplicación.
![{\displaystyle {\boldsymbol {u}}\cdot \nabla {\boldsymbol {u}}={\frac {1}{\rho }}[-\nabla p+\mu \nabla ^{2}{\boldsymbol { u}}-(\displaystyle \sum _ {a}z_ {a}en_ {a})\nabla \phi ]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/da7e7a17006f07e4519a4e4b1459d07d60346962)
![Un transistor bipolar nanofluídico[15]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a7/Ionic_Bipolar_Transistor.jpg/1280px-Ionic_Bipolar_Transistor.jpg)
![Canal de microfluidos, eléctricamente neutro dentro del canal[18]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7f/Microchannel.jpg/1280px-Microchannel.jpg)
