En nanofluidisk enhet som gör det möjligt att tillverka gas-vätskegränssnitt i nanoskala. Kredit:Yan Xu, Osaka Prefecture University
När vätska möter gas bildas en unik zon. Varierande till sin natur kan molekyler passera från ett tillstånd till ett annat, kombinera på unika sätt till antingen önskvärda eller oönskade mål. Från värme som släpper ut en mugg kaffe till ökande molekylära koncentrationer i kemiska lösningar, gränssnitt mellan gas och vätska finns överallt i naturen och tekniken. Men bristen på verktyg som kan styra sådana gas-vätskegränssnitt exakt begränsar deras tillämpningar – fram till nu.
Forskare baserade vid Osaka Prefecture University har utvecklat det första kontrollerbara gas-vätskegränssnittet på nanoskala. De publicerade sin design och experimentella resultat den 14 oktober i Nano Letters .
"Oavsett om det är konstruerat eller förekommer i naturen, spelar gas-vätskegränssnitt en viktig roll i många kemiska och biologiska processer", säger pappersförfattaren Yan Xu, docent i kemiteknik vid Graduate School of Engineering vid Osaka Prefecture University. "Gas-vätskegränssnitt i nanoskala har genererats slumpmässigt i kolnanorör och porösa membran, till exempel, men att tillverka kontrollerbara versioner i nanoskala är fortfarande utmanande eftersom nanofluidkanalerna är för små för att använda konventionella metoder för ytkontroll."
Fluidiska enheter hjälper forskare att fånga målmolekyler och undersöka specifika egenskaper, såväl som kraftinteraktioner genom kanaler i nanoskala designade med exakt kontrollerad geometri, sa Xu.
I mikrofluidiska enheter, som innehåller kanaler som är cirka 1 000 gånger större än de i nanofluidiska enheter, kan ytan på kanalerna ändras för att attrahera eller avvisa specifika molekyler.
"Sådan ytmodifiering används vanligtvis för mikrofluidkanaler, men dess tillämplighet för nanofluidkanaler undersöks nästan aldrig," sa Xu.
Medan mikrofluidiska enheter kan tillverkas av en mängd olika material, kräver nanofluidiska enheter ett glassubstrat. Enligt Xu gör glasegenskaper, såsom optisk transparens, termisk stabilitet och mekanisk robusthet, det till ett gynnsamt material för applikationer inom ett brett spektrum av discipliner och ett idealiskt material inom nanofluidik.
Medan det är hydrofilt till sin natur kan glas göras hydrofobt, en teknik som används vid ytmodifiering för att hjälpa till att stoppa molekyler i provvätskan från att binda till molekyler i glaset. Forskarna gjorde också nanokanaler av glas - som är ungefär bredden på 1/1 000 ett pappersark - med hydrofila guldnanomönster exakt placerade för att lokalt attrahera flytande molekyler vid ingången till nanokanaler. Guld nanomönster tillverkades med en teknik som kallas "Nano-in-Nano" integration, som utvecklades av forskarna och möjliggör exakt mönstring av mycket mindre funktionella nanomönster i de små nanofluidkanalerna.
Den resulterande tillverkade nanofluidiska enheten är lite större än ett frimärke och inte mycket tjockare. De storleksvarierade nanokanalerna, osynliga för det mänskliga ögat, sitter i mitten, inklämda mellan ett vätskeinföringssystem format som två hästskor.
För att testa den hydrofoba behandlingen tryckte forskarna in vatten i de bredare, endimensionella (1D) nanokanalerna. I obehandlade kanaler kommer vatten att sugas in i de smalare, tvådimensionella (2D) nanokanalerna med samma kraft som låter växter distribuera vatten från sina rötter till sina blad utan något yttre tryck.
Kredit:Osaka Prefecture University
"Däremot observerade vi att vattenflödet stannade vid ingången till de 2D nanofluidiska kanalerna upp till ett externt tryck på 400 kPa," sa Xu. Det är ungefär kraftekvivalenten med det genomsnittliga vattentrycket från en hemkran. Utöver det trycket fann forskarna att vatten skulle bryta mot nanofluidkanalerna.
Testet validerade den konstruerade hydrofoba naturen hos kanalerna, så forskarna fyllde sedan kanalerna med etanolvattenlösning vid högt tryck och använde sedan luft för att avlägsna vätska från den vänstra kanalen, vilket skapade ett gas-vätskegränssnitt. Under nolltryck reste gränssnittet till 2D-nanokanalingångarna och stannade jämnt vid de hydrofila guldnanomönstren och höll i över en timme. Under visst yttre tryck kunde gränssnittet transporteras längs de nanofluidiska kanalerna.
Med stabiliteten hos gas-vätskegränssnittet i nanoskala bekräftat, testade forskarna också framgångsrikt förmågan att koncentrera molekyler av intresse i gränssnittet i nanoskala.
Forskarna planerar att vidareutveckla chipbaserade analytiska och diagnostiska enheter som kan separera, koncentrera och detektera biologiskt material, såsom virus eller biomarkörer, från extremt små prover.
"Gas-vätskegränssnitt i nanoskala tillverkade i hydrofila och hydrofoba nanomönstrade nanofluidkanaler erbjuder möjligheten att exakt berika målmolekyler i ett väldefinierat utrymme i nanoskala, vilket revolutionerande påverkar en mängd olika kemiska, fysikaliska och biologiska processer och tillämpningar i framtiden," Xu sa. + Utforska vidare
