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.

תכונות

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.

תאוריה

איור של ממברנה, בעלת מערך של ננו-קפילרות - NCAM מורכבת ממספר רב של ננו-קפילרות מקבילות, שלכל אחת מהן יש רדיוס a/2, שהוא בערך באותו האורך. של אורך דביי K^-1.

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
${\frac {1}{r}}{\frac {d}{dr}}\left(r{\frac {d\phi }{dr}}\right)=\kappa ^{2}\phi \$
כאשר κ הוא מרחק דביי ההופכי
$\kappa ={\sqrt {\frac {8\pi ne^{2}}{\epsilon kT}}}$
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:
${\frac {1}{r}}{\frac {d}{dr}}\left(r{\frac {dv_{z}}{dr}}\right)={\frac {1}{\eta }}{\frac {dp}{dz}}-{\frac {F_{z}}{\eta }}$
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:
$v_{z}\left(r\right)={\frac {\epsilon \phi _{0}}{4\pi \eta }}E_{z}\left[1-{\frac {I_{0}\left(\kappa r\right)}{I_{0}\left(\kappa a\right)}}\right]$

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.

ייצור

Carl Zeiss Crossbeam 550 - מכשיר אלומת יונים ממוקדת

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.

יישומים

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.

אתגרים

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.

ראו גם

• פלואידיקה
• מיקרופלואידיקה
• תעלות מרצפות
• NEMS