Obwody nanofluidyczne

Obwody nanofluidyczne to nanotechnologia mająca na celu kontrolę płynów w skali nanometrowej . Ze względu na efekt podwójnej warstwy elektrycznej w kanale płynu obserwuje się , że zachowanie nanocieczy znacznie różni się w porównaniu z jego odpowiednikami mikroprzepływowymi . Jego typowe charakterystyczne wymiary mieszczą się w przedziale 1–100 nm. Przynajmniej jeden wymiar struktury jest w skali nanoskopowej . Odkryto, że zjawiska płynów w strukturze nanoskali mają różne właściwości w elektrochemia i dynamika płynów .

Tło

Wraz z rozwojem mikroprodukcji i nanotechnologii coraz więcej uwagi poświęca się studiowaniu mikroprzepływów i nanoprzepływów. Badania nad mikroprzepływami znalazły swoje zalety w analizie DNA, lab-on-a-chip i micro-TAS. Urządzenia w systemie mikroprzepływowym obejmują kanały, zawory, mieszacze i pompy. Integracja tych urządzeń mikroprzepływowych umożliwia sortowanie, transport i mieszanie substancji w płynach. Jednak awaria ruchomych części w tych systemach jest zwykle kwestią krytyczną i główną wadą. Mechanizmy kontroli przepływu bez użycia części mechanicznych są zawsze pożądane ze względu na niezawodność i żywotność.

W 1997 roku Wei, Bard i Feldberg odkryli, że rektyfikacja jonowa zachodzi na końcu rurki o rozmiarze nano. Zaobserwowali, że ładunek powierzchniowy na ściance nanopipety indukował nieneutralny potencjał elektryczny w otworze. Potencjał elektryczny modyfikuje następnie stężenie form jonów, co skutkuje asymetryczną charakterystyką prądowo-napięciową dla prądu płynącego przez pipetę.

Transport jonów w elektrolicie można regulować, dostrajając wartość pH w rozcieńczonym roztworze jonów lub wprowadzając zewnętrzny potencjał elektryczny w celu zmiany gęstości ładunku powierzchniowego ściany. Analogicznie do urządzeń półprzewodnikowych, mechanizm sterowania transportem nośników ładunku w urządzeniach elektronicznych powstał w obszarze nanofluidyki. W nanofluidyce aktywna kontrola transportu jonów jest realizowana za pomocą nanoskalowych kanałów lub porów.

Wysiłki badawcze nad systemami płynowymi w mikroskali zaczęły koncentrować się na zjawiskach rektyfikacji, które można zaobserwować tylko w systemach nanoskalowych. W 2006 roku profesor Majumdar i profesor Yang z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley zbudowali pierwszy tranzystor „nanofluidyczny”. Tranzystor można włączać i wyłączać zewnętrznym sygnałem elektrycznym, co pozwala na kontrolę płynów jonowych w nanoskalowym kanale. Ich praca implikuje możliwość stworzenia układu nanofluidycznego z funkcjami logicznymi.

Do głównych naukowców zajmujących się urządzeniami nanofluidycznymi należą Arun Majumdar i Peidong Yang z University of California – Berkeley, Harold Craighead i Brian Kirbyat Cornell University, Juan Santiago z Uniwersytetu Stanforda, Albert van den Berg z University of Twente, Zuzanna Siwy z University of California – Irvine i Mark Shannon z University of Illinois – Urbana-Champaign.

Podstawowe zasady

W przypadku roztworu elektrolitu w kanale o promieniu w skali makro lub mikro, ładunki powierzchniowe na ścianie przyciągają przeciwjony i odpychają kojony z powodu siły elektrostatycznej. Dlatego między ścianą kanału a roztworem istnieje podwójna warstwa elektryczna. Wymiar podwójnej warstwy elektrycznej jest określony przez długość Debye'a w tym systemie, która jest zwykle znacznie mniejsza niż promień kanału. Większość roztworu w kanale jest elektrycznie obojętna ze względu na ekranowanie podwójnej warstwy elektrycznej.

Jednak w nanokanale rozwiązanie jest ładowane, gdy wymiar promienia kanału jest mniejszy niż długość Debye'a . Dlatego możliwe jest manipulowanie przepływem jonów wewnątrz nanokanału poprzez wprowadzanie ładunków powierzchniowych na ścianę lub przyłożenie zewnętrznego potencjału elektrycznego.

Stężenie jonowe roztworu ma istotny wpływ na transport jonów. Ponieważ wyższe stężenie prowadzi do krótszej długości Debye'a dla podwójnej warstwy elektrycznej na ścianie kanału. Jego działanie prostujące maleje wraz ze wzrostem stężenia jonów. Z drugiej strony rektyfikację jonów można poprawić, stosując rozcieńczony roztwór.

Transport jonów

Aby przeanalizować transport jonów w kanale, należy wziąć pod uwagę zachowanie układu w elektrochemii oraz mechanice płynów. Równania Poissona-Nernsta-Plancka (PNP) są wykorzystywane do opisu prądu jonowego przepływającego przez kanał, a równania Naviera-Stokesa (NS) służą do przedstawiania dynamiki płynów w kanale.

Równania PNP składają się z równania Poissona :

${\ Displaystyle \ nabla ^ {2} \ phi = - {\ Frac {1} {\ varepsilon _ {0} \ varepsilon}} \ Displaystyle \ suma _ {a}z_{a}pl_{a}}$

oraz równania Nernsta-Plancka , które dają strumień cząstek jonów w wyniku ${\ displaystyle a}$ stężeń i gradientu potencjału elektrycznego: za

$\ Displaystyle {\ boldsymbol {J}} _ {a} = - D_ {a} (\ nabla n_ {a} + { \frac {z_{a}en_{a}}{kT}}\nabla \phi )}$

gdzie jest potencjałem elektrostatycznym, $jest$ $}$ $elektronu$ , jest przenikalnością elektryczną w próżni i $}$ $\ Displaystyle \ varepsilon$ to stała dielektryczna roztworu; ${\ Displaystyle D_ {a}}$ , ${\ Displaystyle n_ {a}}$ i ${\ Displaystyle Z_ {a}}$ to dyfuzyjność, gęstość liczbowa jonów i wartościowość gatunków jonów ${\ displaystyle a}$ .

Rozwiązanie w stanie ustalonym spełnia równanie ciągłości. Aby opisać pole prędkości płynu w kanale, korzystając z równań Naviera-Stokesa :

${\ Displaystyle \ nabla \ cdot (n_ {a} {\ boldsymbol {u}} + {\ boldsymbol {J}} _ {a}) = 0}$

${\ Displaystyle \ nabla \ cdot {\ boldsymbol {u}} = 0}$

${\ boldsymbol {u}} \ cdot \ nabla {\ boldsymbol {u}} = {\ Frac {1} {\ rho}} [- \ nabla p + \ mu \ nabla ^ {2} {\ boldsymbol {u}} - (\ Displaystyle \ suma _ {a} z_ {a} en_ {a} )\nabla \phi ]}$

gdzie ${\ displaystyle p}$ , ${\ displaystyle {\ boldsymbol {u}}}$ , ${\ displaystyle \ mu}$ i to $displaystyle p }$ , wektor prędkości, lepkość i gęstość płynu, p {\ odpowiednio. Powyższe równania są zwykle rozwiązywane za pomocą algorytmu numerycznego w celu określenia prędkości, ciśnienia, potencjału elektrycznego i stężenia jonów w płynie, a także przepływu prądu elektrycznego przez kanał.

Selektywność jonowa

Selektywność jonowa jest zdefiniowana w celu oceny działania nanokanału do kontroli przepływu jonów. Selektywność jonowa to stosunek różnicy prądów nośników większościowych i mniejszościowych do całkowitego prądu przenoszonego zarówno przez jony dodatnie, jak $ujemne$ . W przypadku nanokanału z doskonałą kontrolą kationów i anionów selektywność wynosi jedność. W przypadku nanokanału bez kontroli przepływu jonów selektywność wynosi zero.

${\ Displaystyle S = {\ Frac {ja ^ {+} -ja ^ {-}} {ja ^ {+} + ja ^ {-}}}}$

Nanofluidyczne urządzenia logiczne

Transport jest proporcjonalny do zastosowanego obciążenia (rezystor)
Transport można zmusić do poruszania się w jednym kierunku (dioda)
Regulacja wzmocnienia jest możliwa poprzez wprowadzenie trzeciego bieguna (tranzystor)
Sterowanie kierunkiem przód/tył za pomocą bramek asymetrycznych (rekonfigurowalna dioda polowa)

Diody

Diody nanoprzepływowe są wykorzystywane do prostowania transportu jonowego. Dioda w obwodach elektronicznych ogranicza przepływ prądu elektrycznego w jednym kierunku. Dioda nanoprzepływowa ma tę samą funkcję, aby ograniczyć przepływ jonów w jednym kierunku. Dioda nanoprzepływowa to kanał o promieniu kilku nanometrów. Wewnętrzna powierzchnia kanału jest pokryta ładunkami powierzchniowymi. Prąd prostowania może wystąpić, gdy ładunki powierzchniowe na ścianie są tego samego znaku. Zaobserwowano również, że gdy połowa kanału jest pokryta przeciwnym znakiem lub elektrycznie neutralna, rektyfikacja zostanie wzmocniona.

Kiedy ściana kanału jest pokryta ładunkami dodatnimi, ujemnie naładowane jony w elektrolicie będą przyciągane i gromadzone w kanale. W tym przypadku przepływ ładunków dodatnich przechodzących przez kanał nie jest korzystny, co skutkuje spadkiem prądu jonowego. Dlatego prąd jonowy staje się asymetryczny, jeśli napięcie polaryzacji zostanie odwrócone.

Dioda nanoprzepływowa spolaryzowana do przodu
Dioda nanoprzepływowa o polaryzacji wstecznej

Tranzystory polowe

Poprzez zastosowanie dodatkowej elektrody na nanokanale jako elektrody bramkowej można regulować potencjał elektryczny wewnątrz kanału. Nanofluidyczny tranzystor polowy może być wykonany z nanorurek krzemionkowych z tlenkiem jako materiałem dielektrycznym między metalową elektrodą bramkową a kanałem. Strojenie prądu jonowego można zatem osiągnąć poprzez zmianę napięcia przyłożonego do bramki. Odchylenie bramki i odchylenie źródło-dren są stosowane do regulacji stężenia kationów i anionów w nanokanale, a tym samym dostrajania przepływającego przez niego prądu jonowego.

Ta koncepcja jest analogią do struktury tranzystora polowego z półprzewodnikiem metal-tlenek-półprzewodnik (MOSFET) w obwodach elektronicznych. Podobnie jak MOSFET, tranzystor nanoprzepływowy jest podstawowym elementem do budowy obwodów nanoprzepływowych. Istnieje możliwość uzyskania układu nanofluidycznego zdolnego do operacji logicznych i manipulacji dla cząstek jonowych.

Ponieważ przewodność przepływu prądu jonowego jest kontrolowana przez napięcie bramki, pożądane jest zastosowanie materiału o wysokiej stałej dielektrycznej jako ścianki kanału. W tym przypadku w kanale widać silniejsze pole z powodu większej pojemności bramki . Pożądana jest również powierzchnia kanału o niskim ładunku powierzchniowym, aby wzmocnić efekt dostrajania potencjału przez elektrodę bramkową. Zwiększa to zdolność do przestrzennego i czasowego dostrajania środowiska jonowego i elektrostatycznego w kanale.

Nanofluidyczny tranzystor polowy
Nanofluidyczny tranzystor bipolarny

Rekonfigurowalna dioda polowa

Wprowadzając asymetryczny efekt pola wzdłuż nanokanału, możliwa jest rekonfigurowalna dioda nanofluidyczna z efektem pola, która obejmuje poprodukcyjną rekonfigurację funkcji diody, takich jak kierunki do przodu / do tyłu i stopnie prostowania. W przeciwieństwie do nanofluidycznego tranzystora polowego, w którym tylko ilość jonów/cząsteczek jest regulowana przez potencjał elektrostatyczny, rekonfigurowalna dioda polowa może być używana do kontrolowania obu kierunków i wielkości transportu jonów/cząsteczek. Urządzenie to można uznać za bloki budulcowe dla jonowego odpowiednika elektronicznego układu bramek programowalnego przez użytkownika.

Jonowe tranzystory bipolarne

Jonowe tranzystory bipolarne mogą być wykonane z dwóch stożkowych kanałów z najmniejszym otworem w skali nano. Wprowadzając przeciwne ładunki powierzchniowe z każdej strony, jest w stanie wyprostować prąd jonowy jako dioda jonowa. Jonowy tranzystor bipolarny jest zbudowany przez połączenie dwóch diod jonowych i utworzenie złącza PNP wzdłuż wewnętrznej powierzchni kanału. Podczas gdy prąd jonowy przepływa od końca emitera do końca kolektora, siła prądu może być modulowana przez elektrodę bazową. Ładunek powierzchniowy na ścianie kanału można modyfikować metodami chemicznymi, zmieniając stężenie elektrolitu lub wartość pH.

Triody jonowe

Trioda nanofuidyczna to nanoprzepływowe urządzenie z podwójnym złączem z trzema końcówkami, składające się z dodatnio naładowanych nanokanałów tlenku glinu i ujemnie naładowanych nanokanałów krzemionkowych. Urządzenie jest zasadniczo trójkońcówkowym bipolarnym tranzystorem złączowym. Kontrolując napięcie na zaciskach emitera i kolektora, można regulować prąd jonowy z zacisku podstawowego do jednego z pozostałych dwóch zacisków, działając jako jonowy jednobiegunowy przełącznik dwupołożeniowy.

Efekt wielkości nanostruktur

Szerokość nanokanałów

Kiedy ładunki powierzchniowe obecne są na ściance kanału o mikroskalowanej szerokości, przeciwjony są przyciągane, a kojony są odpychane przez siłę elektrostatyczną. Przeciwjony tworzą obszar ekranujący w pobliżu ściany. Obszar ten przenika do roztworu na pewną odległość zwaną długością Debye'a, aż potencjał elektryczny spadnie do całkowitej wartości neutralności. Długość Debye'a wynosi zazwyczaj od 1 nm do 100 nm dla roztworów wodnych.

W nanokanałach długość Debye'a jest zwykle porównywalna z szerokością kanału, dlatego rozwiązanie w kanale jest naładowane. Jony wewnątrz płynu nie są już chronione przed ładunkiem powierzchniowym. Zamiast tego ładunek powierzchniowy wpływa na dynamikę jonów w nanokanale.

Kanał mikroprzepływowy, elektrycznie neutralny wewnątrz kanału
Kanał nanofluidyczny, naładowany elektrycznie wewnątrz kanału

Długość nanokanałów

Aby kanał miał dobrą selektywność, musi być wąski i długi. Innymi słowy, kanał o wysokim współczynniku proporcji ma lepszą selektywność. Aby jeszcze bardziej zwiększyć jego selektywność, wymagana jest silnie naładowana ściana.

Wydajność selektywności jonowej była również w dużej mierze związana z zastosowanym obciążeniem. Przy niskim obciążeniu obserwuje się wysoką selektywność. Wraz ze wzrostem napięcia polaryzacji następuje wyraźny spadek selektywności. W przypadku nanokanału o niskim współczynniku kształtu wysoka selektywność jest możliwa, gdy napięcie polaryzacji jest niskie.

Długi kanał i niskie napięcie polaryzacji zapewniają wysoką selektywność
Krótki kanał i wysokie napięcie polaryzacji powodują niską selektywność

Produkcja

Zaletą urządzeń nanofluidycznych jest możliwość zintegrowania ich z obwodami elektronicznymi. Ponieważ są zbudowane przy użyciu tej samej technologii wytwarzania, możliwe jest wykonanie układu nanofluidycznego z cyfrowym układem scalonym na jednym chipie. Dlatego kontrolę i manipulację cząstkami w elektrolicie można osiągnąć w czasie rzeczywistym.

Wytwarzanie nanokanałów dzieli się na metody odgórne i oddolne. Metody odgórne to konwencjonalne procesy stosowane w przemyśle układów scalonych i badaniach systemów mikroelektromechanicznych . Rozpoczyna się od fotolitografii na masowej płytce krzemowej. Natomiast metody oddolne zaczynają się od atomów lub cząsteczek o wewnętrznym wymiarze w nanoskali. Organizując i łącząc ze sobą te elementy składowe, jest w stanie tworzyć nanostruktury o wielkości zaledwie kilku nanometrów.

Metody odgórne

Typowa metoda wytwarzania od góry do dołu obejmuje fotolitografię w celu określenia geometrii kanałów na płytce podłoża. Geometria jest tworzona przez kilka etapów osadzania cienkowarstwowych i trawienia w celu utworzenia rowów. Płytka podłoża jest następnie łączona z inną płytką w celu uszczelnienia rowków i utworzenia kanałów. Inne technologie wytwarzania nanokanałów obejmują mikroobróbkę powierzchni z warstwami protektorowymi, litografię nanoimprintingu i litografię miękką.

Metody oddolne

Najbardziej powszechną metodą stosowaną do produkcji oddolnej są samoorganizujące się monowarstwy (SAM). Ta metoda zwykle wykorzystuje materiały biologiczne do utworzenia monowarstwy molekularnej na podłożu. Nanokanały można również wytwarzać ze wzrostu nanorurek węglowych (CNT) i drutów kwantowych. Metody bottom-up zazwyczaj dają dobrze zdefiniowane kształty o charakterystycznej długości około kilku nanometrów. Aby struktury te mogły być wykorzystywane jako urządzenia nanoprzepływowe, ważnym problemem staje się wzajemne połączenie między nanokanałami a układami mikroprzepływowymi.

Istnieje kilka sposobów powlekania wewnętrznej powierzchni określonymi ładunkami. Można wykorzystać modelowanie ograniczone dyfuzją, ponieważ roztwór masowy penetruje wejście do nanokanału tylko na pewną odległość. Ponieważ prędkość dyfuzji jest różna dla każdego reagenta. Wprowadzając kilka etapów reagentów wpływających do nanokanału, możliwe jest ukształtowanie powierzchni z różnymi ładunkami powierzchniowymi wewnątrz kanału.

Aplikacja

Urządzenia nanofluidyczne zostały zbudowane do zastosowań w chemii, biologii molekularnej i medycynie. Głównymi celami stosowania urządzeń nanofluidycznych jest separacja i pomiar roztworów zawierających nanocząsteczki do dostarczania leków, terapii genowej i toksykologii nanocząstek w systemie analizy mikrocałkowitej. Ważną zaletą systemów w skali mikro i nano jest niewielka ilość próbki lub odczynnika użytego do analizy. Skraca to czas wymagany do przetwarzania próbki. Możliwe jest również wykonanie analizy w macierzy, co dodatkowo przyspiesza procesy i zwiększa przepustowość analizy.

Nanokanały są wykorzystywane do wykrywania i diagnozowania pojedynczych cząsteczek, a także do rozdzielania DNA. W wielu przypadkach urządzenia nanoprzepływowe są zintegrowane z systemem mikroprzepływowym, aby ułatwić logiczne działanie płynów. Przyszłość systemów nanofluidycznych będzie koncentrować się na kilku obszarach, takich jak chemia analityczna i biochemia, transport i pomiar cieczy oraz konwersja energii.

W nanofluidyce liczby walencyjne jonów określają ich prędkości elektroforetyczne netto . Innymi słowy, prędkość jonu w nanokanale jest związana nie tylko z jego ruchliwością, ale także z wartościowością jonu. Umożliwia to funkcję sortowania nanofluidyki, której nie można wykonać w mikrokanale. Dlatego możliwe jest sortowanie i rozdzielanie krótkiej nici DNA za pomocą nanokanału. W przypadku zastosowania pojedynczej cząsteczki DNA ostatecznym celem jest sekwencjonowanie nici genomowego DNA w celu uzyskania powtarzalnych i precyzyjnych wyników. Podobne zastosowanie można znaleźć również w chromatografii lub rozdzielenie różnych składników w roztworze.

Zastosowanie można znaleźć również w syntezie włókien. Włókna polimerowe można wytwarzać przez elektroprzędzenie monomerów na granicy między cieczą a próżnią. Zorganizowana struktura polimeru powstaje z przepływu monomerów ustawionych na podłożu.

Podejmowana jest również próba zastosowania technologii nanofluidycznej do konwersji energii. W tym przypadku naładowana elektrycznie ściana zachowuje się jak stojan, a płynący roztwór jak wirnik. Zaobserwowano, że gdy rozpuszczalnik napędzany ciśnieniem przepływa przez naładowany nanokanał, może generować prąd strumieniowy i potencjał strumieniowy. Zjawisko to można wykorzystać do pozyskiwania energii elektrycznej.

Postępy w technikach nanoprodukcji i obawy związane z niedoborem energii sprawiają, że ludzie interesują się tym pomysłem. Głównym wyzwaniem jest zwiększenie sprawności, która obecnie wynosi zaledwie kilka procent, w porównaniu ze sprawnościami dochodzącymi do około 95 procent w przypadku standardowych obrotowych generatorów elektromagnetycznych.

Ostatnie postępy

Ostatnie badania koncentrują się na integracji urządzeń nanofluidycznych z mikrosystemami. Należy stworzyć interfejs do połączenia między dwiema skalami długości. System składający się wyłącznie z samodzielnych urządzeń nanofluidalnych jest niepraktyczny, ponieważ wymagałby dużego ciśnienia napędzającego, aby płyny przepłynęły do nanokanała.

Urządzenia nanofluidyczne są potężne pod względem wysokiej czułości i dokładnego manipulowania próbkami materiałów, nawet do pojedynczej cząsteczki. Niemniej jednak wadą systemów separacji nanofuidycznej jest stosunkowo niska przepustowość próbki i jej wynik w wykrywaniu. Jednym z możliwych podejść do rozwiązania tego problemu jest użycie równoległych kanałów separacji z detekcją równoległą w każdym kanale. Ponadto należy stworzyć lepsze podejście do wykrywania ze względu na bardzo małe ilości obecnych cząsteczek.

Jednym z największych wyzwań w tej dziedzinie badań jest szczególny efekt wielkości. Naukowcy próbują rozwiązać problemy powodowane przez niezwykle wysoki stosunek powierzchni do objętości. W tych warunkach adsorpcja cząsteczek może prowadzić do dużych strat, a także może zmienić właściwości powierzchni.

Inny problem pojawia się, gdy próbka do wykrycia jest stosunkowo dużą cząsteczką, taką jak DNA lub białko. W zastosowaniu do dużych cząsteczek zatykanie jest problemem, ponieważ mały rozmiar nanokanału ułatwia to. Powłoka o niskim współczynniku tarcia na wewnętrznej powierzchni kanału jest pożądana, aby uniknąć blokowania kanałów płynowych w tym zastosowaniu.

Zobacz też

Linki zewnętrzne