Circuito nanofluídico

Los circuitos nanofluídicos, dentro del área nanotecnológica, tienen como objetivo el control de fluidos en escala nanométrica. Debido al efecto de una doble capa eléctrica dentro del canal de fluido,se observa que el comportamiento del nanofluido es insignificantemente indiferente a comparación de su homólogo, los microfluidos. Sus típicas dimensiones características, se encuentran dentro del rango de q a 100nm. Al menos una dimensión de la estructura se encuentra en la escala nanométrica. Se descubre que los fenómenos de fluidos de una estructura en una nanoescala tienen diferentes propiedades en la electroquímica y la dinámica de fluidos.

Historia

Debido al desarrollo de la microfabricación y la nanotecnología, el estudio de microfluidos y nanofluidos ha llamado la atención en gran medida. ^{[cita requerida]} En las investigaciones sobre los microfluidos se encontraron ventajas en el análisis de ADN, lab-on-a-chip, y micro-TAS. Los dispositivos que se encuentran dentro de un sistema de microfluidos incluyen canales, válvulas, mezcladores y bombas. El conjunto de estos dispositivos microfluídicos permite la clasificación, el transporte y la mezcla de sustancias dentro de fluidos. Sin embargo, la falta de partes móviles en estos sistemas son, por lo general, el problema principal y el más crítico inconveniente.^[1]

En 1997, Chang Wei, junto con su colega descubrieron que la rectificación de iones se produce en la punta de un tubo de tamaño nanométrico.^[2] Observaron que la carga de la superficie en la pared de una nanopipeta, indujo un potencial eléctrico no neutral dentro del orificio. El potencial eléctrico modifica la concentración de especies de iones, dando como resultado la característica de corriente-tensión asimétrica para la corriente a través de la pipeta.

El transporte de iones en un electrolito, puede ser ajustado mediante la modificación del valor del pH, en una solución iónica diluida, o introduciendo un potencial eléctrico externamente, para así cambiar la densidad de carga de la superficie de la pared.^[3] Como una analogía a los dispositivos semiconductores, el mecanismo de control de transporte de portadores de carga en los dispositivos electrónicos se estableció en la zona de nanofluidos. En nanofluidos, el control activo de transporte de iones, es realizado mediante el uso de canales o poros en nanoescala.

Los esfuerzos de las investigaciones de los sistemas de fluidos a microescala, comenzaron a concentrarse en los fenómenos de rectificación, los cuales pueden observarse únicamente sistemas de nanoescala. En el 2006, el profesor Majumdar y el profesor Yang, en la Universidad de California, Berkley, construyeron el primer transistor “nanofluídico”. El transistor se puede activar o desactivar mediante una señal eléctrica externa, permitiendo el contról de líquidos iónicos en un canal de nanoescala. Su trabajo implica la posibilidad de crear una circuitería nanofluídico con funciones lógicas.

Los principales investigadores en el área de los dispositivos nanofluídicos incluyen Arun Majumdar y Peidong Yang en la Universidad de California - Berkeley, Harold Craighead y Brian Kirbyat la Universidad de Cornell, Juan Santiago en la Universidad de Stanford, Albert van den Berg, en la Universidad de Twente, Zuzanna Siwy en la Universidad de California - Irvine, y Mark Shannon, en la Universidad de Illinois - Urbana-Champaign.

Principios básicos

Para las soluciones electrolíticas en un canal con macro y micro radios, las cargas de las superficies en la pared, atrae a los contraiones y repele a los coiones debido a la fuerza electroestática.

Por lo tanto, existe una doble capa eléctrica entre la pared del canal y la solución. La dimensión de la doble capa eléctrica se determina por la longitud de Debye en este sistema, que es típicamente mucho menor que el radio del canal. La mayor parte de la solución en el canal es eléctricamente neutra debido al efecto de apantallamiento de la doble capa eléctrica.

En un nanocanal, sin embargo, la solución es cargada cuando la dimensión del radio del canal es más pequeña que la longitud de Debye. Por lo tanto, es posible manipular el flujo de iones que se encuentran dentro del nano canal, por medio de introducir cargas de superficie en la pared o mediante la aplicación de un potencial eléctrico externo.

La concentración iónica de la solución, tiene un efecto importante en el transporte de iones. Debido a que una concentración más alta conduce a una longitud más corta Debye para la doble capa eléctrica en la pared del canal. Su efecto rectificar disminuye con el aumento de la concentración iónica. Por otro lado, la rectificación de ion se puede mejorar haciendo que una solución diluida.

Transporte de Iones

Para analizar el transporte de iones en el canal, los comportamientos de sistema en electroquímica, así como la mecánica de fluidos necesitan ser considerados. Los Poisson-Nernst-Planck (PNP) ecuaciones se utilizan para describir la corriente iónica que fluye a través de un canal, y las ecuaciones de Navier-Stokes (NS) se utilizan para representar la dinámica de fluidos en el canal.

Las ecuaciones PNP consisten en la ecuación de Poisson:^[4]^[5]

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

y las ecuaciones de Nernst-Planck, lo que da el flujo de partículas de especies de iones $a$ debido a un gradiente de concentración y el gradiente de potencial eléctrico:

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

Donde $\phi$ es el potencial electrostático, $e$ es la unidad de carga del electrón, $\varepsilon _{0}$ es la permitividad en el vacío, y $\varepsilon$ es el dieléctrico constante de la solución; $D_{a}$ , $n_{a}$ and $z_{a}$ son la difusividad, la densidad de número de iones, y la valencia de especies de iones $a$ .

La solución en estado estacionario satisface la ecuación de continuidad. Para describir campo de velocidades del fluido en el canal, usando las ecuaciones de Navier-Stokes:

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

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

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

Donde $p$ , ${\boldsymbol {u}}$ , $\mu$ , y $\rho$ son la presión, vector de velocidad, viscosidad y densidad del fluido, respectivamente. Las ecuaciones anteriores se resuelven por lo general con algoritmo numérico para determinar la velocidad, la presión, potencial eléctrico, y de la concentración iónica en el líquido, así como el flujo de corriente eléctrica a través del canal.

Selectividad Iónica

La selectividad iónica se define para evaluar el rendimiento de un nano-canal para el control de flujo iónico.^[6] Selectividad iónica es la relación de la diferencia en las corrientes de portadores mayoritarios y minoritarios a la corriente total transportada por los iones positivos y negativos, $I$ . Para un nano-canal con un perfecto control de catión y anión, la selectividad es la unidad. Para una nano-canal sin control de flujo iónico, la selectividad es cero.

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

Lógica de los dispositivos Nanofluídicos

El transporte es proporcional a la polarización aplicada (resistencia)
El transporte puede ser hecho para moverse en una dirección (diodo)
Control de ganancia es posible gracias a la introducción del tercer polo (transistor)
Control de la dirección de avance / retroceso por puertas asimétricas (diodo de efecto de campo reconfigurable)

Diodos

Los diodos nanofluídicos se utilizan para la rectificación del transporte de iones.^[7]^[8]^[9] Un diodo en circuitos electrónicos limita el flujo de corriente eléctrica a una dirección. Un diodo nanofluídico tiene la misma función para restringir el flujo iónico en una dirección. Este es un canal con su dimensión radio de varios nanómetros. La superficie interna del canal está recubierta con cargas superficiales. rectificación de corriente puede ocurrir cuando las cargas superficiales en la pared son del mismo signo. También se observa que, cuando un medio del canal está recubierto con signo contrario o eléctricamente neutral, la rectificación será mejorada.

Cuando la pared del canal está recubierta con cargas positivas, la carga negativa iones en el electrolito serán atraídas y se acumulan dentro del canal. En este caso, el flujo de cargas positivas que pasan por el canal no es favorable, lo que resulta en una disminución de la corriente iónica. Por lo tanto, la corriente iónica se convierte en asimétrico si el voltaje de polarización se invierte.

A reverse-biased nanofluidic diode

Efecto de transistores

Mediante la aplicación de un electrodo adicional en un nano-canal como el electrodo de puerta, es posible ajustar el potencial eléctrico dentro del canal.^[10]^[11] Un campo de transistor de efecto de nanofluídico puede estar hecha de nanotubos de sílice con un óxido como el material dieléctrico entre la puerta de metal electrodo y el canal.^[12] La sintonización de la corriente iónica, por lo tanto, se puede lograr cambiando la tensión aplicada en la compuerta. La polarización de la compuerta y de la fuente de polarización de drenaje se aplican para ajustar la concentración de cationes y de aniones en el nano-canal, por lo tanto, afinar la corriente iónica que fluye a través de este.^[13]

Este concepto es una analogía con la estructura de un semiconductor de óxido metálico de efecto de campo transistor (MOSFET) en los circuitos electrónicos. Similar a un MOSFET, un transistor nanofluídico es el elemento fundamental para la construcción de una circuitería nanofluídico. No hay posibilidad de lograr una circuitería nanofluídico, que es capaz de operación lógica y la manipulación de las partículas iónicas. Dado que la conductancia del flujo de corriente iónica es controlada por la tensión de puerta, usando un material con una alta constante dieléctrica como se desea la pared del canal. En este caso, hay un campo más fuerte visto dentro del canal debido a una mayor capacidad de compuerta. También se desea una superficie de canal con una carga superficial baja con el fin de reforzar el efecto de sintonización potencial de electrodo de puerta. Esto aumenta la capacidad de espacial y temporalmente ajustar el entorno iónico y electrostática en el canal:

A nanofluidic field-effect transistor

Efecto de campo del iodo reconfigurable

Mediante la introducción de un efecto de campo asimétrica a lo largo del nano-canal, un efecto de campo reconfigurable diodo nanofluídico es factible,^[14] que cuenta con reconfiguración posterior a la fabricación de las funciones de diodo, como el avance / direcciones y los grados de rectificación inversa. A diferencia del transistor de efecto de campo nanofluídico, donde solo la cantidad de iones / moléculas está regulada por un potencial electrostático, el efecto de campo diodo reconfigurable se puede utilizar para controlar ambas direcciones y magnitudes de transporte de iones / molécula. Este dispositivo podría considerarse como bloques de construcción para la contraparte iónica de la matriz de puertas programables en campo electrónico.

Transistor iónico bipolar

Iónicos transistores bipolares se pueden hacer de dos canales cónicos con la abertura más pequeña en dimensión nano-escala. Mediante la introducción de cargas de superficie opuestas en cada lado, es capaz de rectificar corriente iónica como un diodo iónico. Un transistor bipolar iónico está construido mediante la combinación de dos diodos iónicos y formando una unión PNP a lo largo de la superficie interior del canal. Mientras que la corriente iónica es desde el extremo emisor al colector fin, la fuerza de la corriente puede ser modulada por el electrodo de base. La carga de la superficie en la pared del canal se puede modificar mediante métodos químicos, cambiando la concentración de electrolito o el valor pH.

Triodo Iónico

El triodo nanofluídico es un dispositivo de unión nanofluídico doble de tres terminales compuesta de alúmina - sílice carga positiva y negativa cargada.^[15] El dispositivo es esencialmente un transistor de unión bipolar de tres terminales. Mediante el control de la tensión en los terminales de emisor y colector, se puede regular la corriente de iones de terminal de base a uno de los otros dos terminales, que funciona como un solo polo interruptor iónico de doble banda.

Efecto del tamaño de las nanoestructuras

El ancho de los nanocanales

Cuando cargas superficiales presentes en la pared de un canal de ancho de micro-escala, contraiones son atraídos y compañeros de iones son repelidos por la fuerza electrostática. Los contraiones forman una zona de protección cerca de la pared. Esta región penetra en la solución a una cierta distancia llamada longitud de Debye hasta que el potencial eléctrico se desintegra con el valor mayor de la neutralidad. La longitud de Debye va típicamente de 1 no a 100 no para soluciones acuosas.

En nano- canales, la longitud de Debye es generalmente comparable a la anchura del canal, por lo tanto, la solución dentro del canal está cargada. Iones en el interior del fluido ya no está prevenido contra la carga superficial. En cambio, la carga superficial afecta a la dinámica de iones dentro de un nano - canal.

Largo del nanocanal

Se requiere un canal para ser estrecho y largo para que tenga una buena selectividad. En otras palabras, un canal con una alta relación de aspecto tiene una mejor selectividad. Para aumentar aún más su selectividad, se requiere tener una pared.^[16]

El rendimiento de la selectividad iónica también en gran medida relacionada con la polarización aplicada. Con un sesgo bajo, se observa una alta selectividad. Con el aumento de la tensión de polarización, hay una aparente disminución en la selectividad. Para una nano-canal con una relación de aspecto baja, alta selectividad es posible cuando el voltaje de polarización es bajo.

Fabricación

La ventaja de los dispositivos nanofluídicos es de su viabilidad para ser integrado con circuitería electrónica. Debido a que se construyen utilizando la misma tecnología de fabricación, es posible hacer un sistema de nanofluídico con circuito integrado digital en un solo chip. Por lo tanto, el control y la manipulación de las partículas en el electrolito se puede lograr en un verdadero - tiempo.^[17]

La fabricación de nano- canales se clasifican en métodos de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo. métodos de arriba hacia abajo son los procesos convencionales utilizados en la industria del IC y micro electromecánico investigación de sistemas. Comienza con la fotolitografía sobre una oblea de silicio en masa. métodos de abajo hacia arriba, por el contrario, se inicia con átomos o moléculas con dimensión intrínseca nano - escala. Por organizar y combinar estos bloques de construcción en conjunto, es capaz de formar un nano estructuras tan pequeñas como solo unos pocos nanómetros.

Métodos decrecientes

Un método típico de fabricación de arriba hacia abajo incluye fotolitografía para definir la geometría de los canales en una oblea de sustrato. La geometría es creada por varios de deposición y decapado pasos de película delgada para formar trincheras. La oblea de sustrato se une luego a otra de la oblea para sellar las zanjas y canales de formulario. Otras tecnologías para fabricar nano- canales incluyen micro mecanizado de superficie con capas de sacrificio, la litografía de nano - impresión, y suave - litografía.

Métodos crecientes

El método más común utilizado para la fabricación de abajo hacia arriba es mono capas auto ensambladas (SAM). Este método por lo general el uso de materiales biológicos para formar una mona capa molecular sobre el sustrato. Nano- canales también se pueden fabricar a partir del crecimiento de nanotubos de carbono (CNT) y los alambres cuánticos. Los métodos de abajo hacia arriba por lo general dan formas bien definidas con longitud característica acerca de unos pocos nanómetros. Para estas estructuras para ser utilizados como dispositivos nanofluídicos, la interconexión entre nano- canales y sistemas de micro fluidos se convierte en una cuestión importante.

Existen varias maneras para recubrir la superficie interior con cargos específicos. patrón de difusión limitada se puede utilizar debido a que una solución a granel solamente penetre en la entrada de un nano-canal dentro de una cierta distancia. Debido a que la velocidad de difusión es diferente para cada reactivo. Mediante la introducción de varios pasos de los reactivos fluyen en el nano-canal, es posible patrón de la superficie con diferentes cargas de superficie en el interior del canal.^[18]

Aplicación

Los dispositivos nanofluídicos, se han construido para su aplicación en la química, la biología molecular y la medicina. Los propósitos principales de utilizar dispositivos nanofluídicos son la separación y la medición de las soluciones que contienen nano partículas para la administración de fármacos, la terapia génica y la toxicología de nano partículas en un micro- Total- análisis system.^[19] Una ventaja importante de los sistemas de micro y nano - escala es la pequeña cantidad de la muestra o reactivo utilizado en el análisis. Esto reduce el tiempo requerido para el procesamiento de muestras. También es posible conseguir el análisis de una matriz, lo que acelera más arriba en los procesos y aumenta el rendimiento del análisis.

Nanas canales se utilizan para lograr la detección de una sola molécula y el diagnóstico, así como la separación de ADN. En muchos casos, los dispositivos nanofluídicos están integrados dentro de un sistema de micro fluidos para facilitar la operación lógica de fluidos. El futuro de los sistemas nanofluídicos se centrará en varias áreas como la química analítica y bioquímica, el transporte de líquidos y la dosificación, y la conversión de energía.

En nanos fluidos, los números de valencia de los iones determina sus velocidades electroforéticas netas. En otras palabras, la velocidad de un ion en el nano- canal se relaciona no solo con su movilidad de iones, sino también su valencia de iones. Esto permite que la función de clasificación de nanos fluidos, que no se puede hacer en un micro- canal. Por lo tanto, es posible hacer la clasificación y separación de ADN de cadena corta mediante el uso de un nano-canal. Para la aplicación de ADN de una sola molécula, el objetivo final es para secuenciar una cadena de ADN genómico en un resultado reproducible y preciso. aplicación similar también se puede encontrar en la cromatografía, o la separación de los diversos ingredientes en la solución.

Aplicación también se puede encontrar en la síntesis de fibras. fibras de polímero pueden ser creados por electro spinning los monómeros en una interfaz entre el líquido y el vacío. Una estructura de polímero se forma organizada de un flujo de monómeros de alineación sobre un sustrato.

También hay un intento de llevar la tecnología nanofluídico en la conversión de energía. En este caso, la pared cargada eléctrica se comporta como el estator, mientras que la solución que fluye como el rotor. Se observa que cuando el disolvente alimentado a presión de fluir a través de un nano-canal cargada, se puede generar una corriente de streaming y un potencial de flujo. Este fenómeno puede ser usado en la recolección de energía eléctrica.

Los avances en las técnicas y las preocupaciones sobre la escasez de energía nano fabricación hacer que la gente interesada en esta idea. El principal desafío es aumentar la eficiencia, que ahora es solo un pequeño porcentaje, en comparación con eficiencias de hasta aproximadamente el 95 por ciento de los generadores electromagnéticos de rotación estándar.

Avances Recientes

Estudios recientes se centran en la integración de dispositivos nanofluídicos en microsistemas. Una interfaz debe ser creada para la conexión entre dos tallas de la balanza. Un sistema con dispositivos exclusivamente nanofluídico autónomo es poco práctica porque haría requiere una presión de conducción grande como para que los fluidos fluyen hacia el nano-channel.^[20]

Los dispositivos nanofluídicos, son de gran alcance en su alta sensibilidad y la manipulación precisa de los materiales de la muestra, incluso con una sola molécula. Sin embargo, el inconveniente de los sistemas de separación nanofluídico es el rendimiento de la muestra relativamente baja y su resultado en la detección. Un posible enfoque para tratar con el problema es usar canales de separación paralelas con detección paralelo en cada canal. Además, un mejor enfoque para la detección tiene que ser creado en vista de las muy pequeñas cantidades de moléculas presentes.

Uno de los mayores retos en este campo de investigación, es el peculiar tamaño de efecto. Los investigadores tratan de resolver los problemas causados por las extremadamente altas proporciones de superficie-volumen. Bajo esta condición, la adsorción de moléculas puede llevar a grandes pérdidas y también puede cambiar las propiedades de la superficie.

Otro problema surge cuando la muestra para la detección es una molécula relativamente grande, tal como ADN o proteína. En la solicitud de molécula grande, la obstrucción es una preocupación debido a que el pequeño tamaño del nanocanal hace que sea fácil de pasar. Se desea un revestimiento de baja fricción en la superficie interna del canal para evitar el bloqueo de canales de fluido en esta aplicación.

Ver también

Referencias

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Enlaces externos

Datos: Q17051369

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