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,
$\frac{1}{r}\frac{d}{dr}\left (r \frac{d\phi}{dr} \right )= \kappa^2 \phi \$
где κ — обратная длина Дебая,
$\kappa = \sqrt{\frac{8\pi n e^2}{\epsilon k T}}$
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,
$\frac{1}{r} \frac{d}{dr} \left (r \frac{d v_z}{dr} \right )= \frac{1}{\eta} \frac{dp}{dz} - \frac{F_z}{\eta}$
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,
$v_z\left (r \right) = \frac{\epsilon \phi_0}{4 \pi \eta} E_z \left [ 1 - \frac {I_0 \left ( \kappa r \right )} {I_0 \left ( \kappa a \right )} \right ]$
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

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.^[3] Обычная фотолитография, объёмная или поверхностная микромеханическая обработка, техники копирования (тиснение, печать, литьё и впрыск под давлением), а также треки тяжёлых частиц и химическое травление^[4][5] 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^[6], при аналитическом разделении и определении биомолекул, таких как белки и ДНК^[7], а также в устройствах удобного захата 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^[8], выборочно разделять и перенаправлять исследуемые вещества по размеру и массе^{[8][9][10][11][12]}, эффективно смешивать реагирующие вещества^[13] и разделять жидкости с различающимися характеристиками^[8][14]. 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^[15], полевой^[16][17] и биполярный транзистор^[18][19]. Использование нанофлюидики возможно и в области нанооптики для создания перестраиваемых массивов микролинз^[20][21]

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^[22].

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». Архивировано из первоисточника 23 апреля 2012. Проверено 21 апреля 2010.
2. ↑ C. L. Rice, R. Whitehead Electrokinetic Flow in a Narrow Cylindrical Capillary (англ.) // Journal of Physical Chemistry. — 1965. — Т. 69. — № 11. — С. 4017-4024.
3. ↑ 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. — Т. 55. — С. 613-649.
4. ↑ 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
5. ↑ 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. — Т. 5. — № 5. — С. 492-500.
6. ↑ Saleh O.A., Sohn L.L. Quantitative sensing of nanoscale colloids using a microchip Coulter counter (англ.) // Review of Scientific Instruments. — 2001. — Т. 72. — № 12. — С. 4449-4451.
7. ↑ Han C., Jonas O.T., Robert H.A., Stephen Y.C. Gradient nanostructures for interfacing microfluidics and nanofluidics (англ.) // Applied Physics Letters. — 2002. — Т. 81. — № 16. — С. 3058-3060.
8. ↑ ^{1 2 3} 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. — Т. 75. — № 10. — С. 2224-2230.
9. ↑ 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. — Т. 107. — № 47. — С. 13178-13187.
10. ↑ 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. — Т. 305. — № 5686. — С. 984-986.
11. ↑ 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. — Т. 71. — № 51. — С. 4913-4918.
12. ↑ 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. — Т. 17. — № 20. — С. 6298-6303.
13. ↑ 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. — Т. 43. — № 14. — С. 1862-1865.
14. ↑ 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. — Т. 127. — № 40. — С. 13928-13933.
15. ↑ 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. — Т. 124. — № 10. — С. 104706.
16. ↑ Karnik R., Castelino K., Majumdar A. Field-effect control of protein transport in a nanofluidic transistor circuit (англ.) // Applied Physics Letters. — 2006. — Т. 88. — № 12. — С. 123114.
17. ↑ 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. — Т. 5. — № 5. — С. 943-948.
18. ↑ Daiguji H., Yang P.D., Majumdar A. Ion transport in nanofluidic channels (англ.) // NanoLetters. — 2004. — Т. 4. — № 1. — С. 137-142.
19. ↑ Vlassiouk I., Siwy Z.S. Nanofluidic Diode (англ.) // NanoLetters. — 2007. — Т. 7. — № 3. — С. 552-556.
20. ↑ 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. — Т. 16. — № 11. — С. 8084-8093.
21. ↑ 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. — Т. 19. — № 12. — С. 34-34.
22. ↑ 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

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