فهم الموائع النانوي

يهتم فهم الموائع النانوي بالإنگليزية: Nanofluidics بدراسة سلوك، معالجة، وضبط الموائع المحصورة فقط ضمن الهياكل ذات الأبعاد النانومترية (عادةً من 1- 100 نانومتراً) (النانومتر = 10^-9 مليمتر). هذا وتعرض الموائع المحصورة ضمن تلك الهياكل مجموعةً من السلوكيات الفيزيائية والتي لا يمكن ملاحظتها في الهياكل الأكبر حجماً، والتي منها تلك الهياكل ذات الأبعاد الميكرومترية، وذلك بسبب حتى الأطوال الفيزيائية المميزة للمائع (مثال طول ديباي، نصف قطر هيدروديناميكي بالإنگليزية: Hydrodynamic radius) تتداخل بشدة مع أبعاد الهياكل النانوية نفسها.

رسم توضيحي لأحد الإدراكات أوالانجازات الخاصة في مجال فهم الموائع النانوي في غشاء مصفوفةٍ نانوشعرية بالإنگليزية: nanocapillary array membrane (NCAM). حيثث يتكون غشاء المصفوفة النانوشعرية من عددٍ كبيرٍ من الأنابيب الشعرية المتوازية، والتي لكلٍ منها نصف قطر مسامي، a/2، والتيقد يكون لها نفس الحجم تقريباً كطول ديباي، κ^-1. في حين تتميز الطبقة الكهربائية المزدوجة بتوزيعٍ أيونيٍ مضادٍ، N، والتي تتسم بأنها الأضخم في حائط الثقب أوالمسام وتضمحل صوب مركز الثقب.

عندما تقترب الهياكل من نظام الحجم المتوافق مع أطوال التحجيم الجزيئية، يتم وضع القيود الفيزيائية الجديدة على سلوك المائع. وعلى سبيل المثال، تستميل القيود الفيزيائية تلك مناطق المائع لاستعراض خصائصاً جديدةً لا تلاحظ في الكتلة السائبة، ومثال ذلك اللزوجة المتزايدة على نحوٍ واسعٍ بالقرب من حائط الثقب (المسام)؛ حيث أنها قد تؤثر على التغيرات في الخصائص الديناميكية الحرارية، كما أنها قد تغير كذلك التفاعلية الكيميائية للأصناف المتواجدة في الوسائط بالإنگليزية: interface القائمة بين المائع والصلب. وقد تم استعراض مثالاً مرتبطاً ومفيداً من خلال المحاليل الكهرلية المحصورة ضمن ثقوب النانووالتي تحتوي على شحنات سطحية بالإنگليزية: Surface charge، والتي منها للتوضيح القابلات أوالوسائط المكهربة بالإنگليزية: electrified interfaces، كما تم توضيحه في غشاء المصفوفة الشعرية النانوية (كما هومشروح بالشكل المرفق على اليسار).

وهنا يجب ملاحظة حتى جميع قابلات التفاعل (الوسائط) المعتمدة تحفز توزيع الشحنة المنظمة بالقرب من السطح المعروف بـ اسم الطبقة المزدوجة الكهربائية بالإنگليزية: Electrical double layer. قد توسع الطبقة المزدوجة الكهربائية والتي تحدد أبعادها مسام أوثقوب النانومتر من عرض ثقب النانو، مما يؤدي إلى تغيرات جوهرية في هجريب المائع والخصائص المرتبطة بحركة المائع في البنية الهجريبية. على سبيل المثال، نسبة سطح الثقب إلى الكمية بالإنگليزية: surface-area-to-volume ratio تسفر عن تفوق وغلبة الأيونات اللقاءة (للتوضيح: الأيونات المشحونة عكسياً لشحنات الحائط الساكنة) على الأيونات المتوافقة (التي تمتلك نفس الإشارة كشحنات الحائط)، ففي الكثير من حالات الاستقصاء شبه الكامل للأيونات المتوافقة، فإنه مثل ذلك لا يتواجد سوى صنف أونوع أيوني واحد فقط في الثقب. وهنا قد يُستخدم هذا لمعالجة الأصناف ذات القطبية المنتقاه على طول الثقب لإنجاز مشروع معالجةٍ موائعيةٍ غير معهودةٍ وغير متاحة في الهياكل الميكرومترية أوالأكبر حجماً.

النظرية

نشر رايس ووايتهيد في عام 1965 مساهمتهما الجوهرية في نظرية نقل المحاليل الكهرلية في شعيرات ذات نصف قطر نانوي (ويُفضـَّل غير متناهية) . وباختصار، يتم منح الكمون الكهربائي، ϕ ، على مسافةٍ قطريةٍ، r، بواسطة معادلة معادلة پواسون-بولتسمان بالإنگليزية: Poisson–Boltzmann equation:
${\displaystyle {\frac {1 {r {\frac {d {dr \left(r{\frac {d\phi {dr \right)=\kappa ^{2 \phi \$

حيث تشير κ إلى طول ديباي،
${\displaystyle \kappa ={\sqrt {\frac {8\pi ne^{2 {\epsilon kT$

فمن خلال تحديد كثافة عدد بالإنگليزية: number density الأيون، n، ثابت العازل الكهربائي ε، ثابت بولتزمان، k، ودرجة الحرارة،T، يمكن استعادة فهم طاقة الوضع، φ(r)، كثافة الشحنة من معادلة پواسون بالإنگليزية: Poisson equation، والذي يمكن التعبير عن حله على أنه دلوبسل معدلة من النوع الأول، I₀، وأنه تم ادراجها إلى نصف قطر الأنبوبة الشعرية، a. وهنا يمكن كتابة معادلة الحركة تحت الضغط المصاحب والتيار المدفوع كهربائياً بالإنگليزية: Electrohydrodynamics:
${\displaystyle {\frac {1 {r {\frac {d {dr \left(r{\frac {dv_{z {dr \right)={\frac {1 {\eta {\frac {dp {dz -{\frac {F_{z {\eta$

حيث تكون η معبراً عن اللزوجة، dp/dz تمثل تدرج الضغط، وF_z ممثلاً لقوة الجسم المدفوعة بواسطة حركة الحقل الكهربائي التطبيقي، E_z، على كثافة شحنة الشبكة في الطبقة المزدوجة. وعندما لاقد يكون هناك ضغطاً تطبيقياً، فإن التوزيع القطري للسرعة يصاغ كالتالي:
${\displaystyle v_{z \left(r\right)={\frac {\epsilon \phi _{0 {4\pi \eta E_{z \left[1-{\frac {I_{0 \left(\kappa r\right) {I_{0 \left(\kappa a\right) \right]$

ومن المعادلة السابقة، فهي تتبع حتى تيار السائل أوالمائع في الشعريات النانوية يمكن ضبطه بواسطة منتج κa، وهذا هوما يمثل الأحجام النسبية لطول ديباي ونصف قطر الثقب. وكذلك فبواسطة تعديل أوضبط هاذين العاملين وسطح كثافة شحنة ثقوب النانوالسطحية، يمكن معالجة تيار السائل كما هومرغوب.

التصنيع

يمكن تصنيع الهياكل النانوية كقنواتٍ اسطوانيةٍ مفردةٍ، شقوق نانوية، أومصفوفات قنوات نانوية من موادٍ متنوعةٍ منها السيليكون، الزجاج، أوالبوليمرات (والتي منها على سبيل المثال بولي ميتاكريلات الميثيل بالإنگليزية: Poly(methyl methacrylate)، بولي ديميثيل سلوكسان بالإنگليزية: Polydimethylsiloxane، PCTE) بالإضافة إلى الحوصيلات الهجريبية الصناعية . هذا وتستخدم الطباعة الحجرية الضوئية بالإنگليزية: Photolithography المعيارية، التوافق السطحي أوالكتلي الدقيق، أساليب النسخ المتماثل (النقش، الطباعة، الصب، وصب الحقن)، المسار النووي أوالخرط الكيميائي ، غالباً في تصنيع الهياكل التي تستعرض سلوكاً موائعياً نانوياً مميزاً.

التطبيقات

وبسبب الحجم الصغير للقنوات الموائعية، يتم تطبيق الهياكل الموائعية الدقيقة في مواقفٍ التي تتطلب معالجة العينات في الكميات الصغيرة بصورةٍ زائدةٍ، والتي منها حساب كولتر بالإنگليزية: Coulter counting ، عمليات الفصل والتحديد التحليلي للجزيئات الحيوية، مثل البروتينات والدنا ، بالإضافة إلى المعالجة السطحية للعينات محدودة الكتلة. ولعل واحدةٌ من أكثر المجالات الواعدة تتمثل في قدرتها على الاندماج ضمن أنظمة الموائع الدقيقة، للتوضيح؛ الأنظمة التحليلية الدقيقة الكاملة أوهياكل هياكل المختبر على رقاقة. مع ملاحظة أنه عندما يتم دمج NCAMs داخل أجهزة الموائع النانوية، يصبح لها القدرة على القيام بعملية تحولٍ رقميٍ بصورةٍ متزايدةٍ، مما يسمح بتحول المائع من قناةٍ موائعيةٍ دقيقةٍ إلى أخرى ، حيث تفصل الانتقائية وتنقل المحللات (analytes) بواسطة الحجم والكتلة , ، بالإضافة إلى خلط المتفاعلات بفاعلية ، وكذلك فصل الموائع ذات الخصائص المتفاوتة المتباينة . كما أنه يوجد هناك تناظراً طبيعياً فيما بين المائع المتناول لقدرات الهياكل الموائعية النانوية وقدرة المكونات الكهروإلكترونية على ضبط تيار الإلكترونيات والثقوب. حيث استُخْدِم ذلك التناظر لتحقيق الوظائف الإلكترونية النشطة والتي منها مثلاً تسليم الموجة (التكرير) (rectification) والتأثير الحقلي بالإضافة إلى حركة المقحل ثنائية القطب ذات التيارات الأيونية. كذلك يمكن استعمال تطبيقات الموائع النانوية في مجال البصريات النانوية لإنتاج tuneable microlens array .

هذا وللموائع النانوية تأثيراً هاماً وحيوياً في مجالات التقانة الحيوية، الطب والتشخيصات السريرية مع تطوير أجهزة المختبرات على رقاقة من أجل تحقيق تفاعل الپوليميراز المتسلسل (پي سي آر) والأساليب الأخرى المرتبطة به.

وبما حتى فهم الموائع النانوي ما زال في فترة صباه المبكرة، فنستطيع حتى نتسقط نمواً سريعاً في مجا التطبيقات الجديدة خلال الأعوام القادمة.

التحديات

نشأت الكثير من التحديات المصاحبة لتدفق تيار الموائع عبر الأنابيب النانوية الكربونية والمواسير النانوية. ومن تلك التحديات الشائعة إعاقة القناة بسبب الجزيئات النانوية الضخمة المتواجدة في المائع. وكذلك يمكن للحطام غير القابل للزوبان في المائع حتى يسد الأنبوب بسهولة. ولعل أحد حلول ذلك تتمثل في محاولات الباحثين العثور على طبقة طلاءٍ أقل احتكاكاً أوموادٍ لتصنيع القناة تساعد على تقليص إعاقة الأنابيب. ومن الأسباب الأخرى كذلك حجم البوليمرات الضخم، متضمنةً الجزيئات المرتبطة حيوياً مثل الدنا غالباً ما تثنى في الحيوية. مما يسفر عن إعاقة للمائع بسبب حتى جزيئات الحمض النووي (دنا) الناجمة من الفيروس لها أطوال تتراوح من 100 إلى 200 كيلوقاعدي والتي تشكل ملفاً أوشبكة أنبوبية من نصف قطرٍ يصل إلى 700 نانومتراً في المحلول المائي في 20%. كما حتى هذا يُعد أضخم مراتٍ عديدةٍ من قطر الثقب للأنابيب الكربونية الضخمة الأحادية ومرتين من مقدار قطر أنبوبٍ نانويٍ كربونيٍ أحادي الجدار.

انظر أيضا

تقانة نانوية
أنابيب نانوية كربونية
ثقب النانو
ميكانيكا النانو
فهم الموائع الدقيقة

المصادر

^ 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. خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صالح؛ الاسم "Cannon" معهد أكثر من مرة بمحتويات مختلفة. خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صالح؛ الاسم "Cannon" معهد أكثر من مرة بمحتويات مختلفة.
^ 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.
^ 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.
^ Fa, K.; Tulock, J. J.; Sweedler, J. V.; Bohn, P. W. Journal of the American Chemical Society 2005, 127, 13928-13933.
^ Cervera, J.; Schiedt, B.; Neumann, R.; Mafe, S.; Ramirez, P., Ionic conduction, rectification, and selectivity in single conical nanopores. Journal of Chemical Physics 2006, 124, 104706.
^ 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.
^ 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
^ 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 (editor) (2009). Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis. Caister Academic Press. ISBN .CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: extra text: authors list (link)