stringtranslate.com

Nanofluidos

Diagrama esquemático de una realización particular de nanofluidos 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 decae hacia el centro del poro.

La nanofluídica es el estudio del comportamiento, manipulación y 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 exhiben 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 estrechamente con las dimensiones de la nanoestructura. sí mismo.

Cuando las estructuras se acercan al régimen de tamaño correspondiente a las longitudes de escala molecular, se imponen nuevas limitaciones físicas al comportamiento del fluido. Por ejemplo, estas limitaciones físicas inducen que regiones del fluido muestren nuevas propiedades que no se observan en masa, por ejemplo , una viscosidad muy aumentada cerca de la pared de los poros; pueden efectuar 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 coiones (que poseen el mismo signo que las cargas de la pared), en En muchos casos, hasta la exclusión casi completa de los coiones, 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 fundamental a la teoría del transporte de soluciones de electrolitos en capilares largos (idealmente infinitos) de diámetro nanométrico. [1] Brevemente, el potencial , ϕ , a una distancia radial, r , viene dado por la ecuación de Poisson-Boltzmann ,

donde κ es la longitud inversa de Debye ,

determinado por la densidad del número 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 puede recuperarse a partir de la ecuación de Poisson , cuya solución puede expresarse como una función de Bessel modificada del primer tipo, I 0 , y escalada al radio capilar, a . Luego se puede escribir una ecuación de movimiento bajo presión combinada y flujo impulsado eléctricamente ,

donde η es la viscosidad, dp/dz es el gradiente de presión y Fz es la fuerza corporal impulsada por la acción del campo eléctrico aplicado , Ez , sobre la densidad de carga neta en la doble capa. Cuando no se aplica presión, la distribución radial de la velocidad viene dada por,

De la ecuación anterior, se deduce que el flujo de fluido en los nanocapilares está gobernado 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 según 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 de nanofluidos 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 conjuntos de nanocanales a partir de materiales como silicio, vidrio, polímeros (por ejemplo, PMMA , PDMS , PCTE) y vesículas sintéticas. [3] La fotolitografía estándar , el micromecanizado en masa o de superficie, las técnicas de replicación (estampado, impresión, fundición y moldeo por inyección) y el grabado químico o de pista nuclear, [4] [5] [6] [7] [8] se utilizan comúnmente para fabricar estructuras que exhiban 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] separaciones analíticas y determinaciones de biomoléculas, como proteínas y ADN, [2] [10] y fácil manejo de muestras de masa limitada. Una de las áreas más prometedoras de los nanofluidos es su potencial para la integración en sistemas de microfluidos, es decir, sistemas analíticos micrototales o estructuras de laboratorio en un chip . Por ejemplo, las NCAM, cuando se incorporan a dispositivos de microfluidos, pueden realizar una conmutación digital de manera reproducible, lo que permite la transferencia de fluido de un canal de microfluidos a otro, [11] [12] separa selectivamente y transfiere analitos por tamaño y masa, [11] [13] [14] [15] [16] mezclan reactivos de manera eficiente, [17] y separan 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 aplicación de los nanofluidos también se aplica a la nanoóptica para producir una matriz de microlentes sintonizables [26] [27]

Los nanofluidos han 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 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 sustentación, resistencia y número de Reynolds difiere dramáticamente en la nanoescala en comparación con la dinámica de fluidos en macroescala.

Desafíos

Hay una variedad de desafíos asociados con el flujo de líquidos a través de nanotubos y nanotubos de carbono. Un hecho común es el bloqueo de canales debido a 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 recubrimiento de baja fricción o materiales de canal que ayuden a reducir el bloqueo de los tubos. Además, los polímeros grandes, incluidas moléculas biológicamente relevantes como el ADN, a menudo se pliegan in vivo, provocando bloqueos. Las moléculas de ADN típicas de un virus tienen una longitud de aprox. 100-200 kilobases y formará una bobina aleatoria de un radio de unos 700 nm en una solución acuosa al 20%. Esto también es varias veces mayor que el diámetro de los poros de incluso los tubos de carbono más grandes y dos órdenes de magnitud el diámetro de un nanotubo de carbono de pared simple.

Ver también

Referencias

  1. ^ Arroz, CL; Whitehead, R. (1965). "Flujo electrocinético en un capilar cilíndrico estrecho". Revista de Química Física . 69 (11): 4017–4024. doi :10.1021/j100895a062.
  2. ^ ab Esmek, Franziska M.; Bayat, París; Pérez-Willard, Fabián; Volkenandt, Tobías; Blick, Robert H.; Fernández-Cuesta, Irene (2019). "Esculpir dispositivos nanofluídicos a escala de oblea para el análisis de una sola molécula de ADN". Nanoescala . 11 (28): 13620–13631. doi : 10.1039/C9NR02979F . ISSN  2040-3364. PMID  31290915.
  3. ^ Karlsson, M.; Davidson, M.; Karlsson, R.; Karlsson, A.; Bergenholtz, J.; Konkoli, Z.; Jesorka, A.; Lobovkina, T.; Hurtig, J.; Voinova, M.; Orwar, O. (2004). "Reactores y redes biomiméticos a nanoescala". Año. Rev. Phys. química . 55 : 613–649. Código Bib : 2004ARPC...55..613K. doi : 10.1146/annurev.physchem.55.091602.094319. PMID  15117264.
  4. ^ Lichtenberg, J.; Baltés, H. (2004). Micro y nanosistemas avanzados . vol. 1. Wiley. págs. 319–355. ISBN 3-527-30746-X.
  5. ^ Mijatovic, D.; Eijkel, JCT; van den Berg, A. (2005). "Tecnologías para sistemas de nanofluidos: de arriba hacia abajo versus de abajo hacia arriba: una revisión" (PDF) . Laboratorio en un chip . 5 (5): 492–500. doi :10.1039/b416951d. PMID  15856084.
  6. ^ Fernández-Cuesta, Irene; Laura Palmarelli, Anna; Liang, Xiaogan; Zhang, Jingyu; Dhuey, Scott; Olynick, Deirdre; Cabrini, Stefano (1 de noviembre de 2011). "Fabricación de dispositivos fluídicos con nanocanales de 30 nm mediante impresión directa". Revista de ciencia y tecnología del vacío B, Nanotecnología y microelectrónica: materiales, procesamiento, medición y fenómenos . 29 (6): 06F801. Código Bib : 2011JVSTB..29fF801F. doi : 10.1116/1.3662886. ISSN  2166-2746. S2CID  55086101.
  7. ^ Zou, un; Poudel, Sajag; Raut, Sidharth P.; Maroo, Shalabh C. (1 de octubre de 2019). "Ebullición de piscina junto con evaporación a nanoescala utilizando nanocanales enterrados". Langmuir . 35 (39): 12689–12693. doi : 10.1021/acs.langmuir.9b02162. ISSN  0743-7463. PMID  31487190. S2CID  201846195.
  8. ^ Poudel, Sajag; Zou, An; Maroo, Shalabh C. (26 de septiembre de 2019). "Absorción en nanocanales enterrados interconectados". La Revista de Química Física C. 123 (38): 23529–23534. doi : 10.1021/acs.jpcc.9b06666. ISSN  1932-7447. S2CID  202869692.
  9. ^ Saleh, OA; Sohn, LL (2001). "Detección cuantitativa de coloides a nanoescala utilizando un contador Coulter con microchip". Revisión de Instrumentos Científicos . 72 (12): 4449–4451. Código Bib : 2001RScI...72.4449S. doi : 10.1063/1.1419224.
  10. ^ Han, C.; Jonás, OT; Roberto, HA; Stephen, YC (2002). "Nanoestructuras de gradiente para interconectar microfluidos y nanofluidos". Letras de Física Aplicada . 81 (16): 3058–3060. Código bibliográfico : 2002ApPhL..81.3058C. doi :10.1063/1.1515115.
  11. ^ Cañón abc, JD; Kuo, TC; Bohn, PW; Sweedler, JV (2003). "La matriz nanocapilar se interconecta para inyecciones controladas de analitos y separaciones electroforéticas en arquitecturas de microfluidos multicapa". Química analítica . 75 (10): 2224–2230. doi :10.1021/ac020629f. PMID  12918959.
  12. ^ Perdón G, Gatty HK, Stemme G, van der Wijngaart W, Roxhed N (2012). "Recubrimiento de deposición de capa atómica de doble capa de Pt-Al2O3 en nanoporos de alta relación de aspecto". Nanotecnología . 24 (1): 015602. Bibcode : 2013Nanot..24a5602P. doi :10.1088/0957-4484/24/1/015602. PMID  23221022. S2CID  206065831.
  13. ^ Ramírez, P.; Mafe, S.; Alcaraz, A.; Cervera, J. (2003). "Modelado de selectividad y transporte de iones con cambio de pH en membranas de nanoporos con cargas fijas". Revista de Química Física B. 107 (47): 13178–13187. doi :10.1021/jp035778w.
  14. ^ Kohli, P.; Harrell, CC; Cao, Z.; Gasparac, R.; Bronceado, W.; Martín, CR (2004). "Membranas de nanotubos funcionalizados con ADN con selectividad por desajuste de base única". Ciencia . 305 (5686): 984–986. Código Bib : 2004 Ciencia... 305.. 984K. doi : 10.1126/ciencia.1100024. PMID  15310896. S2CID  28856045.
  15. ^ Jirage, KB; Hulteen, JC; Martín, CR (1999). "Efecto de la quimisorción de tiol sobre las propiedades de transporte de las membranas de nanotúbulos de oro". Química analítica . 71 (21): 4913–4918. doi :10.1021/ac990615i. PMID  21662836.
  16. ^ Kuo, TC; Sloan, Luisiana; Sweedler, JV; Bohn, PW (2001). "Manipulación del transporte molecular a través de membranas nanoporosas mediante el control del flujo electrocinético: efecto de la densidad de carga superficial y la longitud de Debye". Langmuir . 17 (20): 6298–6303. doi :10.1021/la010429j.
  17. ^ Tzu-C. Kuo; Kim, Hong Kong; Cañón, DM Jr.; Shannon, MA; Sweedler, JV; Bohn, PW (2004). "Mezcla y reacción del efecto de matrices nanocapilares en estructuras fluídicas multicapa". Edición internacional Angewandte Chemie . 43 (14): 1862–1865. doi :10.1002/anie.200353279. PMID  15054797.
  18. ^ Fa, K.; Tulock, JJ; Sweedler, JV; Bohn, PW (2005). "Perfiles de gradientes de pH a través de membranas de matriz nanocapilar que conectan canales de microfluidos". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 127 (40): 13928–13933. doi :10.1021/ja052708p. PMID  16201814.
  19. ^ Cervera, J.; Schiedt, B.; Neumann, R.; Mafe, S.; Ramírez, P. (2006). "Conducción iónica, rectificación y selectividad en nanoporos cónicos individuales". Revista de Física Química . 124 (10): 104706. Código bibliográfico : 2006JChPh.124j4706C. doi : 10.1063/1.2179797. hdl : 10550/2401 . PMID  16542096.
  20. ^ Guan, W.; Fan, R.; Caña, M. (2011). "Diodos iónicos nanofluídicos reconfigurables de efecto de campo". Comunicaciones de la naturaleza . 2 : 506. Código Bib : 2011NatCo...2..506G. doi : 10.1038/ncomms1514 . PMID  22009038.
  21. ^ Karnik, R.; Castelino, K.; Majumdar, A. (2006). "Control de efecto de campo del transporte de proteínas en un circuito de transistores nanofluídicos". Letras de Física Aplicada . 88 (12): 123114. Código bibliográfico : 2006ApPhL..88l3114K. doi : 10.1063/1.2186967.
  22. ^ Karnik, R.; Fan, R.; Yue, M.; Li, DY; Yang, PD; Majumdar, A. (2005). "Control electrostático de iones y moléculas en transistores nanofluídicos". Nano Letras . 5 (5): 943–948. Código Bib : 2005NanoL...5..943K. doi :10.1021/nl050493b. PMID  15884899.
  23. ^ Perdón G, van der Wijngaart W (2013). "Modelado y simulación de nanocanales activados electrostáticamente". Avances en ciencia de interfases y coloides . 199–200: 78–94. doi :10.1016/j.cis.2013.06.006. PMID  23915526.
  24. ^ Daiguji, H.; Yang, PD; Majumdar, A. (2004). "Transporte de iones en canales de nanofluidos". Nano Letras . 4 (1): 137–142. Código Bib : 2004NanoL...4..137D. doi :10.1021/nl0348185.
  25. ^ Vlassiouk, Ivan y Siwy, Zuzanna S. (2007). "Diodo nanofluídico". Nano Letras . 7 (3): 552–556. Código Bib : 2007NanoL...7..552V. doi :10.1021/nl062924b. PMID  17311462.
  26. ^ Grilli, S.; Miccio, L.; Vespini, V.; Finizio, A.; De Nicola, S.; Ferraro, Pietro (2008). "Matriz de microlentes líquidas activadas por electrohumectación selectiva sobre sustratos de niobato de litio". Óptica Express . 16 (11): 8084–8093. Código Bib : 2008OExpr..16.8084G. doi : 10.1364/OE.16.008084 . PMID  18545521.
  27. ^ Ferraro, P. (2008). "Manipulación de películas líquidas finas para matrices de microlentes sintonizables". Noticias de Óptica y Fotónica . 19 (12): 34. doi :10.1364/opn.19.12.000034.
  28. ^ Herold, KE; Rasoly, A, eds. (2009). Tecnología Lab-on-a-Chip: análisis y separación biomolecular . Prensa académica Caister. ISBN 978-1-904455-47-9.
  29. ^ Hafezi, F.; Ransing, RS; Lewis, RW (14 de febrero de 2017). "El cálculo de la resistencia de los nanocilindros". Revista internacional de métodos numéricos en ingeniería . 111 (11): 1025-1046. Código Bib : 2017IJNME.111.1025H. doi :10.1002/nme.5489. ISSN  0029-5981. S2CID  125299766.
  30. ^ Roy, Subrata; Raju, Reni; Chuang, HF; Cruden, Brett A y Meyyappan, M (2003). "Modelado del flujo de gas a través de microcanales y nanoporos". Revista de Física Aplicada . 93 (8): 4870–4879. Código Bib : 2003JAP....93.4870R. doi : 10.1063/1.1559936. hdl : 2027.42/69830 .
  31. ^ Cooper, SM; Cruden, Licenciatura en Letras; Meyyappan, M; Raju, R y Roy, S (2004). "Características del transporte de gas a través de nanotúbulos de carbono". Nano Letras . 4 (2): 337–381. Código Bib : 2004NanoL...4..377C. doi :10.1021/nl0350682.
  32. ^ Evans, B. (1 de enero de 2018). "Predicción del arrastre de nanopartículas con un número de Reynolds bajo utilizando un enfoque de solución directa de Boltzmann-BGK". Revista de Física Computacional . 352 : 123-141. Código Bib : 2018JCoPh.352..123E. doi :10.1016/j.jcp.2017.09.038. ISSN  0021-9991.