Нанофлюидика

Нанофлюидика или наногидродинамика — 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.

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. В предложенной ими модели потенциал ϕ на радиальном расстоянии r задается уравнением Пуассона-Больцмана,
1 r d d r ( r d ϕ d r ) = κ 2 ϕ   {displaystyle {frac {1}{r}}{frac {d}{dr}}left(r{frac {dphi }{dr}} ight)=kappa ^{2}phi }
где κ — обратная длина Дебая,
κ = 8 π n e 2 ϵ k T {displaystyle kappa ={sqrt {frac {8pi 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,
1 r d d r ( r d v z d r ) = 1 η d p d z − F z η {displaystyle {frac {1}{r}}{frac {d}{dr}}left(r{frac {dv_{z}}{dr}} ight)={frac {1}{eta }}{frac {dp}{dz}}-{frac {F_{z}}{eta }}}
где η — вязкость, dp/dz — градиент давления, Fz — объемная сила, зависящая от приложенного электрического поля, а Ez — плотность результирующего заряда в двойном электрическом слое. Когда давление к капилляру не приложено, радиальное распределение скорости можно приближенно представить следующим выражением,
v z ( r ) = ϵ ϕ 0 4 π η E z [ 1 − I 0 ( κ r ) I 0 ( κ a ) ] {displaystyle v_{z}left(r ight)={frac {epsilon phi _{0}}{4pi eta }}E_{z}left[1-{frac {I_{0}left(kappa r ight)}{I_{0}left(kappa a ight)}} ight]}
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. Обычная фотолитография, объёмная или поверхностная микромеханическая обработка, техники копирования (тиснение, печать, литьё и впрыск под давлением), а также треки тяжёлых частиц и химическое травление 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, при аналитическом разделении и определении биомолекул, таких как белки и ДНК, 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, выборочно разделять и перенаправлять исследуемые вещества по размеру и массе, эффективно смешивать реагирующие вещества и разделять жидкости с различающимися характеристиками. 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, полевой и биполярный транзистор. Использование нанофлюидики возможно и в области нанооптики для создания перестраиваемых массивов микролинз

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.

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.