ננו-פלואידיקה

ננו-פלואידיקה הוא תחום אשר חוקר את ההתנהגות, הבקרה והשליטה של תהליכי זרימה בתוך מבנים ננומטריים (סדר גודל של 1-100 ננומטר) כגון ננו-תעלות, נקבוביות, ננו-חרירים. הננו-פלואידיקה התפתחה מתוך המיקרופלואידיקה עם התקדמות תהליכי המזעור. זורמים אשר נמצאים במבנים ננומטריים מתנהגים באופן שונה מאשר זורמים במבנים שאינם ננומטריים. סדר הגודל של הזורמים בתוך מבנים ננומטריים הוא בקנה מידה מולקולארי וקרוב מאוד לאורך דביי (מדד לטווח ההשפעה האלקטרוסטטי של נושאי מטען בתמיסה) ולכן חלק מן המאפיינים של הזורמים במבנה הננומטרי שונים ממבנים גדולים מהם ונשלטים על ידי גודל המבנה בהם הם זורמים. כאשר מבנה נכנס לתחום הגודל הננומטרי, מגבלות פיזיקליות חדשות פועלות על האופן בו הזורם מתנהג. מגבלות אלו יוצרות אזורים שבהם הזורם מציג מאפיינים שאינם נראים בסדר גודל מיקרומטרי ומעלה. בתעלות ננומטריות יחס שטח לנפח גבוה במיוחד לכן האינטראקציה בין הזורם לדפנות הננו-תעלה הוא דומיננטי במיוחד. למשל התגובות הכימיות בממשק נוזל / מוצק עלולות להיות מושפעת משינויים תרמודינמיים אשר נגרמים על ידי צמיגות הולכת וגדלה בקרבת דפנות הנקבובית הננומטרית. דוגמה לכך ניתן למצוא בממברנות בהם יש מערך ננו-נימים nanocapillary array membrane) - NCAM) כאשר דפנות הנימים טעונות מטען חשמלי כמתואר באיור למטה. בממשק נוזל/מוצק נוצרת התפלגות מטענים מאורגנת הנובעת מהאינטראקציה בין הדופן הטעונה למטענים בנוזל. התפלגות זו ידועה בשם השכבה החשמלית הכפולה (Electrical double layer). השכבה החשמלית הכפולה בנקבוביות הננומטריות עלולה להתרחב עד לרוחב הננו-נקבובית עצמה וכתוצאה מכך יתרחשו שינויים דרמטיים בהתארגנות של הזורם ובמאפיינים הקשורים לתנועת הזורם במבנה. למשל, נוצרת סביבה בדפנות הנקבובית המעדיפה יונים בעלי מטען נגדי לסוג המטען בדופן הנקבובית מאשר יונים בעלי מטען משותף (co-ions- יונים בעלי אותו סוג מטען של מטעני דופן הנקבובית), במקרים רבים כניסה של היונים המשותפים (co-ions) נמנעת בצורה כמעט מושלמת, כך שנוצר מצב שבו הנקבובית סלקטיבית רק לסוג אחד של יונים. ניתן להשתמש בתכונה זו לשליטה בקיטוב השדה החשמלי על ידי התפלגות המטענים לאורך הנקבובית או הננו-תעלה על מנת לייצר תצורות זורמים לא סטנדרטיות אשר אינן אפשריות במבנים בעלי סדר גודל מיקרומטרי ומעלה. בשנת 1965, Rice ו-Whitehead פרסמו את תרומתם המכוננת לתאוריה של ניידות תמיסת אלקטרוליטים בצינוריות ארוכות (באופן אידיאלי) בעלות קוטר ננומטרי. הפוטנציאל של ϕ, במרחק רדיאלי r נתון על ידי משוואת פואסון בולצמן 1 r d d r ( r d ϕ d r ) = κ 2 ϕ   {\displaystyle {\frac {1}{r}}{\frac {d}{dr}}\left(r{\frac {d\phi }{dr}}\right)=\kappa ^{2}\phi \ } כאשר κ הוא מרחק דביי ההופכי κ = 8 π n e 2 ϵ k T {\displaystyle \kappa ={\sqrt {\frac {8\pi ne^{2}}{\epsilon kT}}}} κ נקבע על ידי הצפיפות היונית- n, הקבוע הדיאלקטרי- ε, קבוע בולצמן- k, והטמפרטורה-T. בידיעת הפוטנציאל החשמלי (ϕ(r ניתן למצוא את צפיפות המטען מתוך משוואת פואסון הניתנת להיות מבוטאת בפתרון של פונקציות בסל מסדר ראשון, I0, ומותאמת לסדר גודל של הרדיוס הקפילרי a. משוואת התנועה תחת שילוב של לחץ וזרם המונע חשמלית ניתנת לביטוי על ידי: 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}}\right)={\frac {1}{\eta }}{\frac {dp}{dz}}-{\frac {F_{z}}{\eta }}} כאשר η הוא הצמיגות, dp/dz הוא גרדיאנט הלחץ, ו- Fz הוא כוח הגוף אשר מונע על ידי הפעולה של השדה החשמלי המופעל עליו, Ez צפיפות רשת המטענים בשכבה הכפולה. כאשר אין לחץ המופעל על ההתפלגות הרדיאלית התאוצה ניתנת על ידי: 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\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]} מהמשוואה הזו ברור כי זרימת הנוזלים בננו-צינוריות נשלטת על ידי המכפלה κa, שזה הגודל היחסי של מרחק דיביי והרדיוס של הנקבובית. על ידי התאמת שני הפרמטרים הללו וצפיפות המטען המשטחי של הננו-נקבוביות, זרימת נוזלים ניתנת לשליטה כרצוננו. מבני-ננו המאפשרים התנהגות ננו-פלואידית הם: ננו-תעלות, ננו-חריצים או מערכי ננו-חריצים ומערכי נקבים ותעלות. מבנים אלו עשויים מחומרים שונים כגון סיליקון, זכוכית, פולימרים למשל: זכוכית אקרילית או PDMS-Polydimethylsiloxane או PCTE-polycarbonate ושלפוחיות סינתטיות. תהליכי הייצור כוללים: פוטוליתוגרפיה סטנדארטית, ליתוגרפיה רכה, מיקרו-מכניקה גושית או משטחית, שיטות שכפול (הבלטה הדפסה, יציקה והזרקה), או איכול כימי. גודלן הקטן של תעלות פלואידיקה מביא לידי כך שמבני ננו-פלואידיקה מיושמים באופן טבעי במצבים הדורשים שדגימות תטופלנה בכמויות קטנות ביותר, כגון: ספירת קולטר, הפרדות אנליטיות וקביעה של ביומולקולות, כגון חלבונים ו-DNA, וטיפול בדגימות מוגבלות כמות. אחד התחומים המבטיחים יותר של ננו-פלואידיקה הוא הפוטנציאל שלה להשתלבות במערכות מיקרופלואידיקה הכלולות במבני מעבדה על שבב. לדוגמה: יישום NCAM לאנליזה של גודל ומסה, והפרדה סלקטיבית של נוזלים בעלי מאפיינים שונים או ערבוב של מגיבים ברמה המולקולארית וביעילות גבוהה . בנוסף, יש אנלוגיה טבעית חזקה בין יכולות השליטה על נוזליים של מבני ננו-פלואידיקה לבין היכולות של רכיבים ננואלקטרונים לשלוט בזרימה של אלקטרונים וחורים. אנלוגיה זו נוצלה לחקירת תנועת נושאי מטען שונים בטרנזיסטורים דו-קוטביים (ביפולארים) ובטרנזיסטורי תוצא שדה - FET . יישום נוסף של ננו-פלואידיקה הוא בתחום הננו-אופטיקה, לייצור מערך של מיקרו-עדשות מתכווננות. לננו-פלואידיקה יש השפעה משמעותית בביוטכנולוגיה, רפואה ואבחון קליני עם פיתוח מכשירי מעבדה על שבב עבור וטכניקות דומות לטכנולוגית PCR . בגלל שהתפתחותו המדעית של ננו-פלואידיקה עדיין בחיתוליו, אנו יכולים לצפות לפיתוח מהיר של יישומים חדשים בשנים הקרובות. יש מגוון אתגרים הקשורים לזרימה של נוזלים דרך ננו-צינוריות פחמן. תופעה שכיחה היא חסימת ערוץ בשל מקרומולקולות גדולות בנוזל כגון תמיסות של פולימרים ביולוגיים, הכוללים מולקולות ביולוגיות גדולות כגון DNA או חלבונים גדולים הנוהגות להיות במבנה מקופל. חוקרים מקווים למצוא פתרון לכך על ידי ציפוי הדפנות המאפשר אינטאקציה עם הזורם באופן שיפחית את היתכנות חסימת הערוץ למעבר הזורם. פלואידיקה מיקרופלואידיקה תעלות מרצפות NEMS Rice, C. L.; Whitehead, R. Journal of Physical Chemistry 1965, 69, 4017-4024. Karlsson, M.; Davidson, M.; Karlsson, R.; Karlsson, A.; Bergenholtz, J.; Konkoli, Z.; Jesorka, A.; Lobovkina, T.; Hurtig, J.; Voinova, M.; Orwar, O. Annu. Rev. Phys. Chem. 2004, 55, 613-649. Lichtenberg, J.; Baltes, H. In Advanced Micro & Nanosystems, 2004; Vol. 1, pp 319-355., 4 Mijatovic, D.; Eijkel, J. C. T.; van den Berg, A. Lab on a Chip 2005, 5, 492-500. Saleh, O. A.; Sohn, L. L. Review of Scientific Instruments 2001, 72, 4449-4451. Han, C.; Jonas, O. T.; Robert, H. A.; Stephen, Y. C. Applied Physics Letters 2002, 81, 3058-3060. Cannon, J. D.; Kuo, T.-C.; Bohn, P. W.; Sweedler, J. V. Analytical Chemistry 2003, 75, 2224-2230. Ramirez, P.; Mafe, S.; Alcaraz, A.; Cervera, J. Journal of Physical Chemistry B 2003, 107, 13178-13187. Kohli, P.; Harrell, C. C.; Cao, Z.; Gasparac, R.; Tan, W.; Martin, C. R. Science 2004, 305, 984-986. Jirage, K. B.; Hulteen, J. C.; Martin, C. R. Analytical Chemistry 1999, 71 4913-4918. Kuo, T. C.; Sloan, L. A.; Sweedler, J. V.; Bohn, P. W. Langmuir 2001, 17, 6298-6303. Fa, K.; Tulock, J. J.; Sweedler, J. V.; Bohn, P. W. Journal of the American Chemical Society 2005, 127, 13928-13933. Tzu-C. Kuo, Kim, H.K.; Cannon, D.M. Jr.; Shannon, M.A.; Sweedler, J.V.; Bohn, P.W. Angewandte Chemie International Edition 2004, 43, 1862-1865. Daiguji, H.; Yang, P.D.; Majumdar, A., Ion transport in nanofluidic channels. NanoLetters 2004, 4, 137-142. Ivan Vlassiouk and Zuzanna S. Siwy, Nanofluidic Diode. Nano Letters 2007, 7, 552-556 Karnik, R.; Castelino, K.; Majumdar, A., Field-effect control of protein transport in a nanofluidic transistor circuit. Applied Physics Letters 2006, 88, 123114. Karnik, R.; Fan, R.; Yue, M.; Li, D.Y.; Yang, P.D.; Majumdar, A., Electrostatic control of ions and molecules in nanofluidic transistors. NanoLetters 2005, 5, 943-948. Pardon G, van der Wijngaart W. Modeling and simulation of electrostatically gated nanochannels. Advances in Colloid and Interface Science. 2013 Nov;199-200C:78–94. http://dx.doi.org/10.1016/j.cis.2013.06.006 Liquid micro-lens array activated by selective electrowetting on lithium niobate substrates S. Grilli, L. Miccio, V. Vespini, A. Finizio, S. De Nicola, and P. Ferraro Optics Express 16, 8084-8093 (2008). http://dx.doi.org/10.1364/OE.16.008084 P. Ferraro, L. Miccio, S. Grilli, A. Finizio, S. De Nicola, and V. Vespini, "Manipulating Thin Liquid Films for Tunable Microlens Arrays," Optics & Photonics News 19, 34-34 (2008) http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=OPN-19-12-34 Herold, KE; Rasooly, A (2009). Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-47-9.{{cite book}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link)