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 contrapartes microfluídicas . 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 ha descubierto que los fenómenos de fluidos en la estructura a escala nanométrica 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 más atención. [1] La investigación sobre microfluídica encontró sus ventajas en el análisis de ADN, el laboratorio en un chip y el micro-TAS. Los dispositivos en un sistema microfluídico incluyen canales, válvulas, mezcladores y bombas. La integración de estos dispositivos microfluídicos permite clasificar, transportar y mezclar sustancias dentro de los fluidos. Sin embargo, la falla de las partes móviles en estos sistemas suele ser el problema crítico y el principal inconveniente. Siempre se desean mecanismos para controlar el flujo sin usar partes 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. El potencial eléctrico modifica entonces la concentración de especies iónicas, lo que da como resultado una característica asimétrica de corriente-voltaje para la corriente que pasa por la pipeta.
El transporte de iones en el electrolito se puede ajustar modificando el valor de 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 la nanofluídica. En la nanofluídica, el control activo del transporte de iones se realiza utilizando canales o poros a escala nanométrica.
Los esfuerzos de investigación en sistemas fluídicos a escala microscópica comenzaron a centrarse en los fenómenos de rectificación, que sólo se pueden observar en sistemas a escala nanométrica. En 2006, el profesor Majumdar y el profesor Yang de la Universidad de California, Berkeley, construyeron el primer transistor "nanofluídico". El transistor puede activarse o desactivarse mediante una señal eléctrica externa, lo que permite el control de fluidos iónicos en un canal a escala nanométrica. 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 en la Universidad de California - Berkeley, Harold Craighead y Brian Kirby en la Universidad de Cornell, Juan Santiago en la Universidad de Stanford, Albert van den Berg en la Universidad de Twente, Zuzanna Siwy en la Universidad de California - Irvine y Mark Shannon en la Universidad de Illinois - Urbana-Champaign.
En el caso de una solución electrolítica en un canal con un radio de escala macro o micro, las cargas superficiales en la pared atraen a los contraiones y repelen a los coiones debido a la fuerza electrostática. Por lo 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 protección de la doble capa eléctrica.
En un nanocanal, sin embargo, la solución se carga cuando la dimensión del radio del canal es menor que la longitud de Debye . Por lo 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 en el transporte de iones, ya que 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 con el aumento de la concentración iónica. Por otro lado, la rectificación de iones se puede mejorar con 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 consisten en la ecuación de Poisson : [5] [6]
y las ecuaciones de Nernst-Planck , que dan el flujo de partículas de especies iónicas debido a un gradiente de concentración y un gradiente de potencial eléctrico:
donde es el potencial electrostático, es la carga unitaria del electrón, es la permitividad en el vacío, y es la constante dieléctrica de la solución; , y son la difusividad, la densidad numérica de iones y la valencia de las especies iónicas .
La solución en estado estacionario satisface la ecuación de continuidad. Para describir el campo de velocidad del fluido en el canal, se utilizan las ecuaciones de Navier-Stokes :
donde , , , y son presión, vector de velocidad, viscosidad y densidad del fluido, respectivamente. Las ecuaciones anteriores se resuelven generalmente con un algoritmo numérico 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 de corrientes de portadores mayoritarios y minoritarios y la corriente total transportada por iones positivos y negativos. Para un nanocanal con control perfecto sobre cationes y aniones, la selectividad es la unidad. Para un nanocanal sin control del flujo iónico, la selectividad es cero.
Los diodos nanofluídicos se utilizan para la rectificación del transporte iónico. [8] [9] [10] Un diodo en 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 una dimensión de radio de varios nanómetros. La superficie interna 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 de signo opuesto o eléctricamente neutro, la rectificación será mejorada.
Cuando la pared del canal está recubierta de 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 a través del canal no es favorable, lo que resulta en 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 compuerta, es posible ajustar el potencial eléctrico dentro del canal. [11] [12] Un transistor de efecto de campo nanofluídico puede estar hecho de nanotubos de sílice con un óxido como material dieléctrico entre el electrodo de compuerta de metal y el canal. [13] Por lo tanto, el ajuste de la corriente iónica se puede lograr cambiando el voltaje aplicado en la compuerta. La polarización de la compuerta y la polarización de la fuente-drenaje se aplican para ajustar la concentración de cationes y aniones dentro del nanocanal, ajustando 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 de semiconductores de óxido metálico (MOSFET) en circuitos electrónicos. De manera similar a 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 observa un campo más fuerte dentro del canal debido a una mayor capacitancia de la compuerta . También se desea una superficie del canal con una carga superficial baja para fortalecer el efecto de sintonización de potencial por electrodo de compuerta. 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 posible crear un diodo nanofluídico reconfigurable por 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 por efecto de campo se puede utilizar para controlar tanto las direcciones como las magnitudes del transporte de iones/moléculas. Este dispositivo podría considerarse como los componentes básicos para la contraparte iónica de la matriz de puertas programable por campo electrónico.
Los transistores bipolares iónicos se pueden fabricar a partir de dos canales cónicos con la abertura más pequeña en la dimensión a escala nanométrica. Al introducir cargas superficiales opuestas en cada lado, se 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 del extremo del emisor al extremo del colector, la intensidad de la corriente se puede modular mediante el electrodo de base. 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 unión doble 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 el colector, se puede regular la corriente de iones desde el terminal base a uno de los otros dos terminales, funcionando como un interruptor iónico unipolar de doble tiro.
Cuando hay cargas superficiales en la pared de un canal de ancho microescalado, los contraiones se atraen y los coiones se repelen por la fuerza electrostática. Los contraiones forman una zona de protección 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 de neutralidad en masa. La longitud de Debye varía normalmente 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 la solución dentro del canal está cargada. 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.
Para que un canal tenga una buena selectividad, es necesario que sea estrecho y largo. En otras palabras, un canal con una relación de aspecto alta tiene una mejor selectividad. Para aumentar aún más su selectividad, es necesario que tenga una pared altamente cargada. [7]
El rendimiento de la selectividad iónica también está relacionado en gran medida con la polarización aplicada. Con una polarización baja, se observa una alta selectividad. Con el aumento del voltaje de polarización, hay una disminución aparente 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 integración con circuitos electrónicos. Debido a que se construyen utilizando la misma tecnología de fabricación, es posible realizar un sistema nanofluídico con circuito integrado digital en un solo chip. Por lo tanto, el control y la 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 . Comienzan con la fotolitografía sobre una oblea de silicio a granel. Los métodos de abajo hacia arriba, por el contrario, comienzan con átomos o moléculas con una dimensión intrínseca a escala nanométrica. Al organizar y combinar estos bloques de construcción, es posible formar nanoestructuras tan pequeñas como de unos pocos nanómetros.
Un método típico de fabricación descendente incluye la fotolitografía para definir la geometría de los canales en una oblea de sustrato. La geometría se crea mediante varios pasos de deposición de película delgada 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 micromaquinado de superficies con capas de sacrificio, la litografía de nanoimpresión y la litografía blanda.
El método más común utilizado para la fabricación ascendente es el de las monocapas autoensambladas (SAM). Este método suele utilizar materiales biológicos para formar una monocapa molecular sobre el sustrato. Los nanocanales también se pueden fabricar 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 interna con cargas específicas. Se puede utilizar el patrón de difusión limitada porque una solución a granel solo penetra la entrada de un nanocanal dentro de una cierta distancia, ya que la velocidad de difusión es diferente para cada reactivo. Al introducir varios pasos de reactivos que fluyen hacia el nanocanal, es posible crear un patrón en la superficie con diferentes cargas superficiales dentro del canal. [20]
Los dispositivos nanofluídicos se han construido para su aplicación en química, biología molecular y medicina. Los principales propósitos para utilizar dispositivos nanofluídicos son la separación y medición de soluciones que contienen nanopartículas para la administración de fármacos, la terapia génica y la toxicología de nanopartículas en un sistema de análisis micrototal. [21] Una ventaja importante de los sistemas a escala micro y nanométrica es la pequeña cantidad de muestra o reactivo que se utiliza en el análisis. Esto reduce el tiempo necesario para el procesamiento de la muestra. También es posible lograr el análisis en una matriz, lo que acelera aún más los procesos y aumenta el rendimiento del análisis.
Los nanocanales se utilizan para detectar y diagnosticar moléculas individuales, así como para separar el ADN. En muchos casos, los dispositivos nanofluídicos se integran en 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 analítica y la bioquímica, el transporte y la medición de líquidos y la conversión de energía.
En nanofluídica, 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 solo con su movilidad iónica sino también con su valencia iónica. Esto permite la función de clasificación de la nanofluídica, que no se puede realizar en un microcanal. Por lo tanto, es posible realizar la clasificación y separación de ADN de cadena corta utilizando un nanocanal. Para la aplicación de ADN de molécula única, el objetivo final es secuenciar una cadena de ADN genómico en un resultado reproducible y preciso. También se puede encontrar una aplicación similar en la cromatografía o la separación de varios ingredientes en la solución.
También se pueden encontrar aplicaciones en la síntesis de fibras. Las fibras poliméricas se pueden crear mediante electrohilado de los monómeros en una interfaz entre el líquido y el vacío. Se forma una estructura polimérica organizada a partir de un flujo de monómeros alineados sobre un sustrato.
También se está intentando aplicar la tecnología nanofluídica a la conversión de energía. En este caso, la pared cargada eléctricamente se comporta como el estator, mientras que la solución que fluye es el 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 por la escasez de energía han hecho que la gente se interese por esta idea. El principal reto es aumentar la eficiencia, que actualmente es de apenas un pequeño porcentaje, en comparación con las eficiencias de hasta aproximadamente el 95 por ciento de los generadores electromagnéticos rotativos estándar.
Estudios recientes se centran en la integración de dispositivos nanofluídicos en microsistemas. Se debería crear una interfaz para la conexión entre dos escalas de longitud. Un sistema con dispositivos nanofluídicos independientes es poco práctico porque requeriría una gran presión impulsora para hacer que los fluidos fluyan hacia el nanocanal. [22]
Los dispositivos nanofluídicos son potentes por su alta sensibilidad y su manipulación precisa de muestras, incluso de moléculas individuales. Sin embargo, el inconveniente de los sistemas de separación nanofluídica es el rendimiento relativamente bajo de las muestras 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 retos en esta área de investigación se debe al peculiar efecto del 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 a detectar es una molécula relativamente grande, como ADN o proteína. En la aplicación para moléculas grandes, la obstrucción es un problema porque el pequeño tamaño del nanocanal hace que esto ocurra fácilmente. Es conveniente un revestimiento de baja fricción en la superficie interna 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)
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