Нанофлюи́дика или наногидродина́мика — раздел гидродинамики наноструктурных жидкостей. Нанофлюидика изучает поведение, способы управления и контроля жидкости, ограниченной нанометровыми структурами. В таком состоянии жидкость проявляет нетипичные для объемного состояния свойства, например резкое увеличение или уменьшение вязкости возле стенок нанокапилляров, изменение термодинамических параметров жидкости, а также нетипичную химическую активность на границе раздела твердой и жидкой фаз. Причина этого в том, что характерные параметры жидкости, такие как дебаевская длина , гидродинамический радиус становятся соразмерными с размерами ограничивающей жидкость структуры .

На рисунке представлена мембранная структура на основе массива . Радиус каждого капилляра одного порядка с дебаевской длиной жидкости, пропускаемой через него.

Теория

В 1965 году, Райс и Уайтхэд опубликовали основополагающую статью по теории транспорта раствора электролита в длинных (в идеале бесконечных) капиллярах нанометрового диаметра. В предложенной ими модели потенциал ϕ на радиальном расстоянии r задается ,
${\displaystyle {\frac {1}{r}}{\frac {d}{dr}}\left(r{\frac {d\phi }{dr}}\right)=\kappa ^{2}\phi \ }$
где κ — обратная длина Дебая ,
${\displaystyle \kappa ={\sqrt {\frac {8\pi ne^{2}}{\epsilon kT}}}}$
которая зависит от концентрации ионов n , диэлектрической постоянной ε , константы Больцмана k и температуры T . Определив радиальную зависимость потенциала φ(r) можно найти плотность заряда из уравнения Пуассона , решение которого может быть представлено в виде модифицированной функции Бесселя первого порядка I ₀ и отнормировано по радиусу капилляра a . Уравнение движения, учитывающее давление и электрически управляемый поток жидкости может быть записано в виде,
${\displaystyle {\frac {1}{r}}{\frac {d}{dr}}\left(r{\frac {dv_{z}}{dr}}\right)={\frac {1}{\eta }}{\frac {dp}{dz}}-{\frac {F_{z}}{\eta }}}$
где η — вязкость, dp/dz — градиент давления, F _z — объемная сила, зависящая от приложенного электрического поля , а E _z — плотность результирующего заряда в двойном электрическом слое. Когда давление к капилляру не приложено, радиальное распределение скорости можно приближенно представить следующим выражением,
${\displaystyle v_{z}\left(r\right)={\frac {\epsilon \phi _{0}}{4\pi \eta }}E_{z}\left[1-{\frac {I_{0}\left(\kappa r\right)}{I_{0}\left(\kappa a\right)}}\right]}$
Из этого уравнения следует, что поток жидкости в нанокапиллярах регулируется произведением κa , то есть зависит от длины Дебая и радиуса пор. Таким образом потоком жидкости можно управлять изменяя эти два параметра и изменяя поверхностную плотность заряда.

Изготовление

]

Наноструктуры, в которых реализуются условия, необходимые для управления потоком жидкости, могут быть изготовлены в виде изолированных цилиндрических каналов, нанощелей или в виде массива наноканалов в таких материалах как кремний, стекло, полимеры (такие как ПММА , ПДМС , полипропиленовые трековые мембраны) и синтетических поровых структур. Обычная фотолитография , объёмная или поверхностная микромеханическая обработка, техники копирования (тиснение, печать, литьё и впрыск под давлением), а также треки тяжёлых частиц и химическое травление также могут быть использованы для создания структур, демонстрирующих поведение, описываемое нанофлюидикой.

Применение

Из-за малого размера жидких каналов нанофлюидные структуры могут быть использованы в случаях, когда исследуемые объекты должны быть взяты в очень малых количествах, например в , при аналитическом разделении и определении биомолекул, таких как белки и ДНК , а также в устройствах удобного захвата образцов малой массы. Одной из наиболее перспективных областей применения нанофлюидных устройств является потенциальная возможность их встраивания в микрофлюидные системы, такие как или лаборатории-на-чипе . Например, будучи встроенными в микрофлюидные устройства могут воспроизводимо выполнять цифровое переключение, позволяющее перенаправить жидкость из одного микрофлюидного канала в другой , выборочно разделять и перенаправлять исследуемые вещества по размеру и массе , эффективно смешивать реагирующие вещества и разделять жидкости с различающимися характеристиками . Также имеется естественная аналогия между возможностью управления жидкостью в нанофлюидных структурах и возможностью электронных компонентов управлять потоком электронов и дырок. Эта аналогия может быть использована для создания активных компонентов управления ионными токами, таких как выпрямитель , полевой и биполярный транзистор . Использование нанофлюидики возможно и в области нанооптики для создания перестраиваемых массивов микролинз

Нанофлюидика может иметь значительное влияние на развитие биотехнологии , медицины и клинической диагностики, если будут разработаны устройства типа лабораторий-на-чипе для ПЦР и подобных методик .

Поскольку нанофлюидика находится на ранней стадии развития, можно ожидать появления новых направлений использования нанофлюидных устройств в ближайшие годы.

Проблемы

Существует много проблем, связанных с течением жидкостей через углеродные нанотрубки и трубки. Основная проблема заключается в блокировке канала макромолекулами и нерастворимыми примесями, находящимися в жидкости. Решением этой проблемы могло бы стать создание покрытий канала с низким коэффициентом трения либо подбор такого материала канала, который способствует уменьшению эффекта блокировки. Также, благодаря большому размеру полимеров, включая биологически значимые молекулы, такие как ДНК, которые в организме часто находятся в свернутом состоянии. Это вызывает закупорку, так как, например, типичная молекула ДНК вируса имеет длину приблизительно 100—200 тысяч гетероциклических оснований нуклеиновой кислоты и в 20-процентном водном растворе формирует случайный клубок радиусом приблизительно 700 нм. Это размер в несколько раз больше диаметра пор больших углеродных трубок и на два порядка больше диаметра одностенной углеродной нанотрубки.

См. также

• Наномеханика
• Нанотехнология
• Микрогидродинамика

Примечания

Литература

• Joshua Edel, Andrew J. deMello. . — RSC Nanoscience & Nanotechnology. — RSC Publishing, 2008. — ISBN 978-0-85404-147-3 .
• Patrick Abgrall, Nam-Trung Nguyen. . — Artech House Publishers, 2009. — 204 с. — ISBN 978-1-59693-350-7 .