Нанофлюидика

Пример реализации нанофлюидного устройства — мембрана на основе массива нанокапилляров (NCAM). NCAM состоит из большого числа параллельных нанокапилляров, каждый из которых имеет радиус a/2, примерно соответствующий дебаевской длине — κ^−1

Нанофлюи́дика или наногидродина́мика — раздел гидродинамики наноструктурных жидкостей. Нанофлюидика изучает поведение, способы управления и контроля жидкости, ограниченной нанометровыми структурами. В таком состоянии жидкость проявляет нетипичные для объемного состояния свойства, например резкое увеличение или уменьшение вязкости возле стенок нанокапилляров, изменение термодинамических параметров жидкости, а также нетипичную химическую активность на границе раздела твердой и жидкой фаз. Причина этого в том, что характерные параметры жидкости, такие как дебаевская длина, гидродинамический радиус становятся соразмерными с размерами ограничивающей жидкость структуры[1].

На рисунке представлена мембранная структура на основе массива нанокапилляров. Радиус каждого капилляра одного порядка с дебаевской длиной жидкости, пропускаемой через него.

Теория

В 1965 году, Райс и Уайтхэд опубликовали основополагающую статью по теории транспорта раствора электролита в длинных (в идеале бесконечных) капиллярах нанометрового диаметра.[2] В предложенной ими модели потенциал ϕ на радиальном расстоянии r задается уравнением Пуассона-Больцмана,
${\displaystyle {\frac {1}{r}}{\frac {d}{dr}}\left(r{\frac {d\phi }{dr}}\right)=\kappa ^{2}\phi \ }$
где κ — обратная длина Дебая,
${\displaystyle \kappa ={\sqrt {\frac {8\pi ne^{2}}{\epsilon kT}}}}$
которая зависит от концентрации ионов n, диэлектрической постоянной ε, константы Больцмана k и температуры T. Определив радиальную зависимость потенциала φ(r) можно найти плотность заряда из уравнения Пуассона, решение которого может быть представлено в виде модифицированной функции Бесселя первого порядка I₀ и отнормировано по радиусу капилляра a. Уравнение движения, учитывающее давление и электрически управляемый поток жидкости может быть записано в виде,
${\displaystyle {\frac {1}{r}}{\frac {d}{dr}}\left(r{\frac {dv_{z}}{dr}}\right)={\frac {1}{\eta }}{\frac {dp}{dz}}-{\frac {F_{z}}{\eta }}}$
где η — вязкость, dp/dz — градиент давления, F_z — объемная сила, зависящая от приложенного электрического поля, а E_z — плотность результирующего заряда в двойном электрическом слое. Когда давление к капилляру не приложено, радиальное распределение скорости можно приближенно представить следующим выражением,
${\displaystyle v_{z}\left(r\right)={\frac {\epsilon \phi _{0}}{4\pi \eta }}E_{z}\left[1-{\frac {I_{0}\left(\kappa r\right)}{I_{0}\left(\kappa a\right)}}\right]}$
Из этого уравнения следует, что поток жидкости в нанокапиллярах регулируется произведением κa, то есть зависит от длины Дебая и радиуса пор. Таким образом потоком жидкости можно управлять изменяя эти два параметра и изменяя поверхностную плотность заряда.

Изготовление

Электронный микроскоп Carl Zeiss Crossbeam 550 объединяющий метод полевой эмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FE-SEM) и метод ионного травления сфокусированным ионным пучком (FIB).

Нанофлюидные каналы, изготовленные на кремниевой подложке методом ионного травления на микроскопе Zeiss Crossbeam 550 L[3]

]

Наноструктуры, в которых реализуются условия, необходимые для управления потоком жидкости, могут быть изготовлены в виде изолированных цилиндрических каналов, нанощелей или в виде массива наноканалов в таких материалах как кремний, стекло, полимеры (такие как ПММА, ПДМС, полипропиленовые трековые мембраны) и синтетических поровых структур.[4] Обычная фотолитография, объёмная или поверхностная микромеханическая обработка, техники копирования (тиснение, печать, литьё и впрыск под давлением), а также треки тяжёлых частиц и химическое травление[5][6] также могут быть использованы для создания структур, демонстрирующих поведение, описываемое нанофлюидикой.

Применение

Из-за малого размера жидких каналов нанофлюидные структуры могут быть использованы в случаях, когда исследуемые объекты должны быть взяты в очень малых количествах, например в счетчиках Культера[7], при аналитическом разделении и определении биомолекул, таких как белки и ДНК[8], а также в устройствах удобного захвата образцов малой массы. Одной из наиболее перспективных областей применения нанофлюидных устройств является потенциальная возможность их встраивания в микрофлюидные системы, такие как интегрированные микроаналитические системы или лаборатории-на-чипе. Например, мембраны на основе нанокапиллярного массива будучи встроенными в микрофлюидные устройства могут воспроизводимо выполнять цифровое переключение, позволяющее перенаправить жидкость из одного микрофлюидного канала в другой[9], выборочно разделять и перенаправлять исследуемые вещества по размеру и массе[9][10][11][12][13], эффективно смешивать реагирующие вещества[14] и разделять жидкости с различающимися характеристиками[9][15]. Также имеется естественная аналогия между возможностью управления жидкостью в нанофлюидных структурах и возможностью электронных компонентов управлять потоком электронов и дырок. Эта аналогия может быть использована для создания активных компонентов управления ионными токами, таких как выпрямитель[16], полевой[17][18] и биполярный транзистор[19][20]. Использование нанофлюидики возможно и в области нанооптики для создания перестраиваемых массивов микролинз[21][22]

Нанофлюидика может иметь значительное влияние на развитие биотехнологии, медицины и клинической диагностики, если будут разработаны устройства типа лабораторий-на-чипе для ПЦР и подобных методик[23].

Поскольку нанофлюидика находится на ранней стадии развития, можно ожидать появления новых направлений использования нанофлюидных устройств в ближайшие годы.

Проблемы

Существует много проблем, связанных с течением жидкостей через углеродные нанотрубки и трубки. Основная проблема заключается в блокировке канала макромолекулами и нерастворимыми примесями, находящимися в жидкости. Решением этой проблемы могло бы стать создание покрытий канала с низким коэффициентом трения либо подбор такого материала канала, который способствует уменьшению эффекта блокировки. Также, благодаря большому размеру полимеров, включая биологически значимые молекулы, такие как ДНК, которые в организме часто находятся в свернутом состоянии. Это вызывает закупорку, так как, например, типичная молекула ДНК вируса имеет длину приблизительно 100—200 тысяч гетероциклических оснований нуклеиновой кислоты и в 20-процентном водном растворе формирует случайный клубок радиусом приблизительно 700 нм. Это размер в несколько раз больше диаметра пор больших углеродных трубок и на два порядка больше диаметра одностенной углеродной нанотрубки.

См. также

• Наномеханика
• Нанотехнология
• Микрогидродинамика

Примечания

1. Нанофлюидика  (рус.). Федеральный интернет-портал «Нанотехнологии и наноматериалы». Дата обращения: 21 апреля 2010. Архивировано из оригинала 23 апреля 2012 года.
2. C. L. Rice, R. Whitehead. Electrokinetic Flow in a Narrow Cylindrical Capillary (англ.) // Journal of Physical Chemistry. — 1965. — Vol. 69, no. 11. — P. 4017—4024.
3. Esmek, Franziska M.; Bayat, Parisa; Pérez-Willard, Fabián; Volkenandt, Tobias; Blick, Robert H.; Fernandez-Cuesta, Irene. Sculpturing wafer-scale nanofluidic devices for DNA single molecule analysis (англ.) // Nanoscale : journal. — 2019. — Vol. 11, no. 28. — P. 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. Biomimetic nanoscale reactors and networks (англ.) // Annual Review of Physical Chemistry. — 2004. — Vol. 55. — P. 613—649.
5. H. Baltes, O. Brand, G.K. Fedder, C. Hierold, J.G. Korvink, O. Tabata. Volume 1: Enabling Technology for MEMS and Nanodevices // Advanced Micro & Nanosystems. — Wiley-VCH, 2004. — Т. 1. — С. 319—355. — 439 с. — (Tiny technology - Huge potential). — ISBN 978-3-527-30746-3. Архивировано 30 ноября 2010 года.
6. D. Mijatovic, J. C. T. Eijkel, A. van den Berg. Technologies for nanofluidic systems: top-down vs. bottom-up—a review (англ.) // Lab on a Chip. — 2005. — Vol. 5, no. 5. — P. 492—500.
7. Saleh O.A., Sohn L.L. Quantitative sensing of nanoscale colloids using a microchip Coulter counter (англ.) // Review of Scientific Instruments. — 2001. — Vol. 72, no. 12. — P. 4449—4451.
8. Han C., Jonas O.T., Robert H.A., Stephen Y.C. Gradient nanostructures for interfacing microfluidics and nanofluidics (англ.) // Applied Physics Letters. — 2002. — Vol. 81, no. 16. — P. 3058—3060.
9. Cannon J.D., Kuo T.-C., Bohn P.W., Sweedler J.V. Nanocapillary Array Interconnects for Gated Analyte Injections and Electrophoretic Separations in Multilayer Microfluidic Architectures (англ.) // Analytical Chemistry. — 2003. — Vol. 75, no. 10. — P. 2224—2230.
10. Ramirez P., Mafe S., Alcaraz A., Cervera J. Modeling of pH-Switchable Ion Transport and Selectivity in Nanopore Membranes with Fixed Charges (англ.) // Journal of Physical Chemistry B. — 2003. — Vol. 107, no. 47. — P. 13178—13187.
11. Kohli P., Harrell C.C., Cao Z., Gasparac R., Tan W., Martin C.R. DNA-Functionalized Nanotube Membranes with Single-Base Mismatch Selectivity (англ.) // Science. — 2004. — Vol. 305, no. 5686. — P. 984—986. Архивировано 18 ноября 2008 года.
12. Jirage K.B., Hulteen J.C., Martin C.R. Effect of Thiol Chemisorption on the Transport Properties of Gold Nanotubule Membranes (англ.) // Analytical Chemistry. — 1999. — Vol. 71, no. 51. — P. 4913—4918.
13. Kuo T.C., Sloan L.A., Sweedler J.V., Bohn P.W. Manipulating Molecular Transport through Nanoporous Membranes by Control of Electrokinetic Flow: Effect of Surface Charge Density and Debye Length (англ.) // Langmuir. — 2001. — Vol. 17, no. 20. — P. 6298—6303.
14. Kuo Tzu-C., Kim H.K., Cannon D.M.Jr., Shannon M.A., Sweedler J.V., Bohn P.W. Nanocapillary Arrays Effect Mixing and Reaction in Multilayer Fluidic Structures (англ.) // Angewandte Chemie International Edition. — 2004. — Vol. 43, no. 14. — P. 1862—1865.
15. Fa K., Tulock J.J., Sweedler J.V., Bohn P.W. Profiling pH Gradients Across Nanocapillary Array Membranes Connecting Microfluidic Channels (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 2005. — Vol. 127, no. 40. — P. 13928—13933.
16. Cervera J., Schiedt B., Neumann R., Mafe S., Ramirez P. Ionic conduction, rectification, and selectivity in single conical nanopores (англ.) // Journal of Chemical Physics. — 2006. — Vol. 124, no. 10. — P. 104706.
17. Karnik R., Castelino K., Majumdar A. Field-effect control of protein transport in a nanofluidic transistor circuit (англ.) // Applied Physics Letters. — 2006. — Vol. 88, no. 12. — P. 123114.
18. Karnik R., Fan R., Yue M., Li D.Y., Yang P.D., Majumdar A. Electrostatic control of ions and molecules in nanofluidic transistors (англ.) // NanoLetters. — 2005. — Vol. 5, no. 5. — P. 943—948.
19. Daiguji H., Yang P.D., Majumdar A. Ion transport in nanofluidic channels (англ.) // NanoLetters. — 2004. — Vol. 4, no. 1. — P. 137—142.
20. Vlassiouk I., Siwy Z.S. Nanofluidic Diode (англ.) // NanoLetters. — 2007. — Vol. 7, no. 3. — P. 552—556.
21. Grilli S., Miccio L., Vespini V., Finizio A., De Nicola S., Ferraro P. Liquid micro-lens array activated by selective electrowetting on lithium niobate substrates (англ.) // Optics Express. — 2008. — Vol. 16, no. 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 (англ.) // Optics and Photonics News. — 2008. — Vol. 19, no. 12. — P. 34—34.
23. Herold K.E., Rasooly A. (редакторы). Lab-on-a-Chip Technology (Vol. 2): Biomolecular Separation and Analysis. — Caister Academic Press, 2009. — ISBN 978-1-904455-47-9. Архивировано 13 апреля 2010 года.

Литература

• Joshua Edel, Andrew J. deMello. Nanofluidics. Nanoscience and Nanotechnology. — RSC Nanoscience & Nanotechnology. — RSC Publishing, 2008. — ISBN 978-0-85404-147-3.
• Patrick Abgrall, Nam-Trung Nguyen. Nanofluidics. — Artech House Publishers, 2009. — 204 с. — ISBN 978-1-59693-350-7.
• Журнал Microfluidics and Nanofluidics