Нанофлюидная схема - Nanofluidic circuitry

Нанофлюидная схема это нанотехнологии стремясь контролировать жидкости в нанометр масштаб. Из-за эффекта двойной электрический слой внутри жидкостного канала поведение наножидкость заметно отличается по сравнению с его микрофлюидный аналоги. Его типичные характерные размеры лежат в диапазоне 1–100 нм. По крайней мере одно измерение конструкции находится в наноскопический масштаб. Обнаружено, что явления жидкостей в наноразмерной структуре обладают различными свойствами в электрохимия и динамика жидкостей.

Задний план

С развитием микропроизводства и нанотехнологий все больше внимания привлекает изучение микрофлюидики и наножидкости.^[1] Исследования микрофлюидности нашли свои преимущества в анализе ДНК, лаборатории на чипе и микро-ТАС. К устройствам микрофлюидной системы относятся каналы, клапаны, смесители и насосы. Интеграция этих микрофлюидных устройств позволяет сортировать, транспортировать и смешивать вещества в жидкостях. Однако выход из строя движущихся частей в этих системах обычно является критической проблемой и основным недостатком. Механизмы управления потоком без использования механических частей всегда необходимы для обеспечения надежности и срока службы.^[2]

В 1997 году Вэй и Бард обнаружили, что ионное выпрямление происходит на конце трубки наноразмеров.^[3] Они заметили, что поверхностный заряд на стенке нанопипетки индуцировал ненейтральный электрический потенциал внутри отверстия. Затем электрический потенциал изменяет концентрацию разновидностей ионов, что приводит к асимметричной вольт-амперной характеристике для тока, протекающего через пипетку.

Перенос ионов в электролите можно регулировать путем настройки значения pH в разбавленном ионном растворе или путем введения внешнего электрического потенциала для изменения плотности поверхностного заряда стенки.^[4] По аналогии с полупроводниковыми приборами, механизм управления транспортом носителей заряда в электронных устройствах был создан в области наножидкостей. В наножидкости активное управление переносом ионов осуществляется с помощью наноразмерных каналов или пор.

Исследования микромасштабных жидкостных систем начали сосредотачиваться на явлениях выпрямления, которые можно увидеть только в наноразмерных системах. В 2006 году профессор Маджумдар и профессор Ян из Калифорнийского университета в Беркли создали первый «наножидкостный» транзистор. Транзистор может быть включен или выключен внешним электрическим сигналом, что позволяет управлять ионными жидкостями в наноразмерном канале. Их работа предполагает возможность создания наножидкостной схемы с логическими функциями.

Основными исследователями в области наножидкостных устройств являются Арун Маджумдар и Пейдонг Ян из Калифорнийского университета в Беркли, Гарольд Крейгхед и Брайан Кирбиат Корнеллский университет, Хуан Сантьяго из Стэнфордского университета, Альберт ван ден Берг из Университета Твенте, Зузанна Сиви из Университета Калифорния - Ирвин, и Марк Шеннон в Иллинойском университете - Урбана-Шампейн.

Основные принципы

Для раствора электролита в канале с макро- или микромасштабным радиусом поверхностные заряды на стенке притягивают противоионы и отталкивают коионы из-за электростатической силы. Следовательно, между стенкой канала и раствором существует двойной электрический слой. Размер двойного электрического слоя определяется длиной Дебая в этой системе, которая обычно намного меньше радиуса канала. Большая часть раствора в канале электрически нейтральна из-за экранирующего эффекта двойного электрического слоя.

Однако в наноканале раствор заряжается, когда размер радиуса канала меньше, чем Длина Дебая. Следовательно, можно управлять потоком ионов внутри наноканала, создавая поверхностные заряды на стенке или применяя внешний электрический потенциал.

Ионная концентрация раствора оказывает важное влияние на перенос ионов. Поскольку более высокая концентрация приводит к более короткой длине Дебая для двойного электрического слоя на стенке канала. Его выпрямляющий эффект уменьшается с увеличением концентрации ионов. С другой стороны, ионную ректификацию можно улучшить, если использовать разбавленный раствор.

Ионный транспорт

Чтобы проанализировать перенос ионов в канале, необходимо учитывать поведение системы в электрохимии, а также в механике жидкости. Уравнения Пуассона – Нернста – Планка (PNP) используются для описания ионного тока, протекающего через канал, а уравнения Навье – Стокса (NS) используются для представления динамики жидкости в канале.

Уравнения PNP состоят из Уравнение Пуассона:^[5][6]

${ displaystyle nabla ^ {2} phi = - { frac {1} { varepsilon _ {0} varepsilon}} displaystyle sum _ {a} z_ {a} en_ {a}}$

и Уравнения Нернста – Планка., что дает поток частиц типа ионов ${ displaystyle a}$ из-за градиента концентрации и градиента электрического потенциала:

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

где ${ displaystyle phi}$ - электростатический потенциал, ${ displaystyle e}$ - единичный заряд электрона, ${ displaystyle varepsilon _ {0}}$ - диэлектрическая проницаемость в вакууме, а ${ displaystyle varepsilon}$ - диэлектрическая проницаемость раствора; ${ displaystyle D_ {a}}$, ${ displaystyle n_ {a}}$ и ${ displaystyle z_ {a}}$ - коэффициент диффузии, плотность ионов и валентность разновидностей ионов. ${ displaystyle a}$.

Решение в установившемся режиме удовлетворяет уравнению неразрывности. Для описания поля скорости жидкости в канале с помощью Уравнения Навье – Стокса:

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

${ displaystyle nabla cdot { boldsymbol {u}} = 0}$

${ displaystyle { boldsymbol {u}} cdot nabla { boldsymbol {u}} = { frac {1} { rho}} [- nabla p + mu nabla ^ {2} { boldsymbol { u}} - ( displaystyle sum _ {a} z_ {a} en_ {a}) nabla phi]}$

где ${ displaystyle p}$, ${ displaystyle { boldsymbol {u}}}$, ${ displaystyle mu}$, и ${ displaystyle rho}$ - давление, вектор скорости, вязкость и плотность жидкости соответственно. Приведенные выше уравнения обычно решаются с помощью численного алгоритма для определения скорости, давления, электрического потенциала и концентрации ионов в жидкости, а также электрического тока, протекающего через канал.

Ионная селективность

Ионная селективность определяется для оценки работы наноканала для управления потоком ионов.^[7] Ионная селективность - это отношение разности токов основных и неосновных носителей заряда к полному току, переносимому как положительными, так и отрицательными ионами, ${ displaystyle I}$. Для наноканала с идеальным контролем катионов и анионов селективность равна единице. Для наноканала без контроля ионного потока селективность равна нулю.

${ displaystyle S = { frac {I ^ {+} - I ^ {-}} {I ^ {+} + I ^ {-}}}}$

Устройства нано-жидкостной логики

• Транспорт пропорционален приложенному смещению (резистор)
• Транспорт может двигаться в одном направлении (диод)
• Регулировка усиления возможна путем введения третьего полюса (транзистора).
• Управление прямым / обратным направлением с помощью асимметричных вентилей (настраиваемый диод с полевым эффектом)

Диоды

Наножидкостные диоды используются для выпрямления ионного транспорта.^[8][9][10] Диод в электронных схемах ограничивает прохождение электрического тока в одном направлении. Наножидкостный диод выполняет ту же функцию, ограничивая поток ионов в одном направлении. Наножидкостной диод - это канал с размером радиуса в несколько нанометров. Внутренняя поверхность канала покрыта поверхностными зарядами. Выпрямление тока может происходить, когда поверхностные заряды у стены имеют одинаковый знак. Также наблюдается, что, когда половина канала покрыта противоположным знаком или электрически нейтральна, выпрямление будет улучшено.

Когда стенка канала покрыта положительными зарядами, отрицательно заряженные ионы в электролите будут притягиваться и накапливаться внутри канала. В этом случае поток положительных зарядов, проходящих через канал, неблагоприятен, что приводит к уменьшению ионного тока. Следовательно, ионный ток становится асимметричным, если напряжение смещения меняется на противоположное.

• 

  Наножидкостной диод с прямым смещением

• 

  Обратно-смещенный наножидкостный диод

Полевые транзисторы

Применяя дополнительный электрод на наноканале в качестве электрода затвора, можно регулировать электрический потенциал внутри канала.^[11][12] Наножидкостной полевой транзистор может быть изготовлен из нанотрубок диоксида кремния с оксидом в качестве диэлектрического материала между металлическим электродом затвора и каналом.^[13] Таким образом, регулировка ионного тока может быть достигнута путем изменения напряжения, приложенного к затвору. Смещение затвора и смещение исток-сток применяются для регулировки концентрации катионов и анионов в наноканале, тем самым регулируя ионный ток, протекающий через него.^[14]

Эта концепция является аналогией структуры металлооксидного полупроводника. полевой транзистор (MOSFET) в электронных схемах. Подобно полевому МОП-транзистору, наножидкостный транзистор является фундаментальным элементом для построения наножидкостной схемы. Существует возможность создать наножидкостную схему, которая способна выполнять логические операции и манипуляции с ионными частицами.

Поскольку проводимость ионного тока регулируется напряжением затвора, желательно использовать материал с высокой диэлектрической проницаемостью в качестве стенки канала. В этом случае внутри канала наблюдается более сильное поле из-за более высокой емкости затвора. Поверхность канала с низким поверхностным зарядом также желательна, чтобы усилить эффект настройки потенциала электродом затвора. Это увеличивает возможность пространственной и временной настройки ионной и электростатической среды в канале.

• 

  Наножидкостной полевой транзистор

• 

  Наножидкостной биполярный транзистор^[15]

Полевой реконфигурируемый диод

Путем введения асимметричного полевого эффекта вдоль наноканала возможен полевой реконфигурируемый наножидкостный диод,^[16] который включает реконфигурацию функций диода после изготовления, например, прямое / обратное направление и степень выпрямления. В отличие от наножидкостного полевого транзистора, в котором только количество ионов / молекул регулируется электростатическим потенциалом, полевой реконфигурируемый диод может использоваться для управления как направлением, так и величиной переноса ионов / молекул. Это устройство можно рассматривать как строительные блоки для ионного аналога электронной программируемой вентильной матрицы.

Ионные биполярные транзисторы

Ионные биполярные транзисторы могут быть выполнены из двух конических каналов с наименьшим отверстием в наноразмерном масштабе. Вводя противоположные поверхностные заряды с каждой стороны, он способен выпрямлять ионный ток как ионный диод. Ионный биполярный транзистор построен путем объединения двух ионных диодов и формирования PNP-перехода вдоль внутренней поверхности канала. Хотя ионный ток проходит от конца эмиттера к концу коллектора, сила тока может модулироваться базовым электродом. Поверхностный заряд на стенке канала можно изменять химическими методами, изменяя концентрацию электролита или значение pH.

Ионные триоды

Нанофлюидный триод - это трехконтактное наножидкостное устройство с двойным переходом, состоящее из положительно заряженных наноканалов оксида алюминия и отрицательно заряженных наноканалов диоксида кремния.^[17] Устройство представляет собой трехконтактный транзистор с биполярным переходом. Управляя напряжением на выводах эмиттера и коллектора, можно регулировать ионный ток от вывода базы к одному из двух других выводов, функционируя как ионный однополюсный переключатель с двойным ходом.

Размерный эффект наноструктур

Ширина наноканалов

Когда поверхностные заряды присутствуют на стенке канала микромасштабной ширины, противоионы притягиваются, а коионы отталкиваются электростатической силой. Противоионы образуют экранирующую зону у стены. Эта область проникает в раствор на определенное расстояние, называемое длиной Дебая, до тех пор, пока электрический потенциал не упадет до основного значения нейтральности. Длина Дебая обычно составляет от 1 нм до 100 нм для водных растворов.

В наноканалах длина Дебая обычно сопоставима с шириной канала, поэтому раствор внутри канала является заряженным. Ионы внутри жидкости больше не защищены от поверхностного заряда. Вместо этого поверхностный заряд влияет на динамику ионов в наноканале.

• 

  Микрожидкостной канал, электрически нейтральный внутри канала^[18]

• 

  Нанофлюидный канал, электрически заряженный внутри канала

Длина наноканалов

Для хорошей селективности канал должен быть узким и длинным. Другими словами, канал с высоким соотношением сторон имеет лучшую избирательность. Для дальнейшего повышения его избирательности требуется сильно заряженная стенка.^[7]

Показатели ионной селективности также во многом зависят от приложенного смещения. При малом смещении наблюдается высокая селективность. С увеличением напряжения смещения наблюдается явное снижение селективности. Для наноканала с низким соотношением сторон возможна высокая селективность при низком напряжении смещения.

• 

  Длинный канал и низкое напряжение смещения обеспечивают высокую избирательность

• 

  Короткий канал и высокое напряжение смещения приводят к низкой избирательности

Изготовление

Преимущество наножидкостных устройств заключается в возможности интеграции с электронными схемами. Поскольку они построены с использованием одной и той же технологии производства, можно создать наножидкостную систему с цифровой интегральной схемой на одном кристалле. Таким образом, контроль и управление частицами в электролите может осуществляться в режиме реального времени.^[19]

Изготовление наноканалов подразделяется на методы сверху вниз и снизу вверх. Нисходящие методы - это обычные процессы, используемые в индустрии ИС, и Микроэлектромеханические системы исследование. Он начинается с фотолитографии на массивной кремниевой пластине. Напротив, методы «снизу вверх» начинаются с атомов или молекул с присущими им наноразмерными размерами. Организуя и комбинируя эти строительные блоки вместе, он может формировать наноструктуры размером всего несколько нанометров.

Нисходящие методы

Типичный метод изготовления сверху вниз включает фотолитографию для определения геометрии каналов на подложке. Геометрия создается несколькими этапами осаждения тонких пленок и травления с образованием канавок. Затем пластина-подложка прикрепляется к другой пластине для герметизации канавок и образования каналов. Другие технологии изготовления наноканалов включают микрообработку поверхности с жертвенными слоями, литографию с нано-отпечатком и мягкую литографию.

Восходящие методы

Наиболее распространенный метод, используемый для изготовления снизу вверх: самособирающиеся монослои (СЭМ). В этом методе обычно используются биологические материалы для формирования молекулярного монослоя на подложке. Наноканалы также могут быть изготовлены из роста углеродные нанотрубки (CNT) и квантовые проволоки. Восходящие методы обычно дают четко определенные формы с характерной длиной около нескольких нанометров. Для использования этих структур в качестве наножидкостных устройств взаимосвязь между наноканалами и микрофлюидными системами становится важной проблемой.

Существует несколько способов покрытия внутренней поверхности определенными зарядами. Можно использовать формирование рисунка с ограничением диффузии, поскольку объемный раствор проникает только через вход наноканала на определенное расстояние. Потому что скорость диффузии различна для каждого реагента. Вводя несколько этапов прохождения реагентов в наноканале, можно сформировать структуру с различными поверхностными зарядами внутри канала.^[20]

заявка

Нанофлюидные устройства были созданы для применения в химии, молекулярной биологии и медицине. Основными целями использования наножидкостных устройств являются разделение и измерение растворов, содержащих наночастицы, для доставки лекарств, генной терапии и токсикологии наночастиц с помощью системы микро-общего анализа.^[21] Важным преимуществом микро- и наноразмерных систем является небольшое количество образца или реагента, используемого для анализа. Это сокращает время, необходимое для обработки образца. Также можно выполнить анализ в массиве, что еще больше ускоряет процессы и увеличивает производительность анализа.

Наноканалы используются для обнаружения и диагностики отдельных молекул, а также для разделения ДНК. Во многих случаях наножидкостные устройства интегрированы в микрофлюидную систему для облегчения логической работы с жидкостями. Будущее наножидкостных систем будет сосредоточено в нескольких областях, таких как аналитическая химия и биохимия, транспортировка и измерение жидкости, а также преобразование энергии.

В наножидкости валентные числа ионов определяют их чистую электрофоретический скорости. Другими словами, скорость иона в наноканале связана не только с его подвижностью, но и с его валентностью. Это позволяет выполнять функцию сортировки наножидкостей, чего нельзя сделать в микроканале. Следовательно, можно проводить сортировку и разделение коротких цепей ДНК с помощью наноканала. В случае применения одномолекулярной ДНК конечной целью является секвенирование цепи геномной ДНК с получением воспроизводимого и точного результата. Подобное приложение также можно найти в хроматография, или разделение различных ингредиентов в растворе.

Применение также можно найти в синтезе волокон. Полимерные волокна могут быть созданы путем электроспиннинга мономеров на границе раздела между жидкостью и вакуумом. Организованная полимерная структура образуется из потока мономеров, выстраивающихся на подложке.

Также предпринимается попытка использовать наножидкостные технологии для преобразования энергии. В этом случае электрически заряженная стенка ведет себя как статор, а текущий раствор - как ротор. Замечено, что, когда управляемый давлением растворитель течет через заряженный наноканал, он может генерировать текущий ток и потенциал потока. Это явление можно использовать при сборе электроэнергии.

Достижения в технологиях нанопроизводства и опасения по поводу нехватки энергии заставляют людей интересоваться этой идеей. Основная задача заключается в повышении эффективности, которая сейчас составляет всего несколько процентов, по сравнению с эффективностью примерно до 95 процентов для стандартных вращающихся электромагнитных генераторов.

Последние достижения

Недавние исследования сосредоточены на интеграции наножидкостных устройств в микросистемы. Должен быть создан интерфейс для связи между двумя весами. Автономная система, состоящая только из наножидкостных устройств, непрактична, поскольку требует большого управляющего давления, чтобы заставить жидкости течь в наноканал.^[22]

Нанофлюидные устройства обладают высокой чувствительностью и точностью манипулирования материалами пробы, вплоть до одной молекулы. Тем не менее, недостатком систем разделения наножидкостей является относительно низкая пропускная способность образца и его результат в обнаружении. Один из возможных подходов к решению проблемы - использовать параллельные разделительные каналы с параллельным обнаружением в каждом канале. Кроме того, необходимо создать лучший подход к обнаружению, учитывая очень небольшое количество присутствующих молекул.

Одна из самых больших проблем в этой области исследований связана со специфическим размерным эффектом. Исследователи пытаются решить проблемы, вызванные чрезвычайно высоким отношением поверхности к объему. При этом условии адсорбция молекул может привести к большим потерям, а также может изменить свойства поверхности.

Другая проблема возникает, когда образец для обнаружения представляет собой относительно большую молекулу, такую ​​как ДНК или белок. При применении с крупными молекулами проблема засорения возникает, потому что небольшой размер наноканала позволяет легко это сделать. Покрытие с низким коэффициентом трения на внутренней поверхности канала желательно, чтобы избежать блокировки каналов для жидкости в этом применении.

Смотрите также

• Нанофлюидика
• Микрофлюидика
• Двухслойный
• Длина Дебая

использованная литература

внешние ссылки

• Первый наножидкостный транзистор
• Первое в мире наножидкостное устройство со сложной трехмерной поверхностью