Detaily článku

Vyrobeno první ovladatelné rozhraní plyn-kapalina v nanorozměrech

Při setkání kapaliny s plynem vzniká jedinečná zóna. Molekuly jsou od přírody proměnlivé, mohou přecházet z jednoho stavu do druhého a jedinečným způsobem se spojovat k žádoucím nebo nežádoucím koncům. Rozhraní mezi plynem a kapalinou jsou všudypřítomná v přírodě i technice, od tepla unikajícího z hrnku kávy až po zvyšující se koncentrace molekul v chemických roztocích. Nedostatek nástrojů schopných přesně ovládat tato rozhraní plyn-kapalina však omezuje jejich použití - až doposud.

Výzkumníci z Univerzity prefektury v Ósace vyvinuli první kontrolovatelné rozhraní plyn-kapalina v nanoměřítku. Svůj návrh a experimentální výsledky zveřejnili 14. října v časopise Nano Letters.

Datum: 1.11.2021

nanorozhraní kapalina - plyn

"Ať už je rozhraní mezi plynem a kapalinou vytvořeno uměle nebo se vyskytuje v přírodě, hraje důležitou roli v mnoha chemických a biologických procesech," uvedl autor článku Yan Xu, docent chemického inženýrství na Graduate School of Engineering na Osaka Prefecture University. "Rozhraní plyn-kapalina v nanoměřítku byla náhodně vytvořena například v uhlíkových nanotrubičkách a porézních membránách, ale výroba kontrolovatelných verzí v nanoměřítku je stále náročná, protože nanofluidní kanály jsou příliš malé na to, aby bylo možné využít konvenční přístupy k řízení povrchu."

Fluidní zařízení pomáhají výzkumníkům zachytit cílové molekuly a zkoumat jejich specifické vlastnosti, stejně jako silové interakce prostřednictvím kanálů v nanorozměrech navržených s přesně řízenou geometrií, řekl Xu.

V mikrofluidních zařízeních, která obsahují kanály asi 1000krát větší než kanály v nanofluidních zařízeních, lze měnit povrch kanálů tak, aby přitahovaly nebo odmítaly specifické molekuly.

"Taková modifikace povrchu se běžně používá u mikrofluidních kanálků, ale její použitelnost u nanofluidních kanálků se téměř nezkoumá," řekl Xu.

Zatímco mikrofluidní zařízení lze vyrobit z různých materiálů, nanofluidní zařízení vyžadují skleněný substrát. Podle Xu jsou vlastnosti skla, jako je optická průhlednost, tepelná stabilita a mechanická odolnost, příznivým materiálem pro aplikace v celé řadě oborů a ideálním materiálem v nanofluidice.

Sklo je sice hydrofilní, ale může být hydrofobizováno, což je technika používaná při modifikaci povrchu, která pomáhá zabránit molekulám ve vzorku kapaliny, aby se vázaly na molekuly ve skle. Výzkumníci také vytvořili skleněné nanokanálky - které jsou široké zhruba jako 1/1000 listu papíru - s přesně umístěnými hydrofilními zlatými nanopatrony, které lokálně přitahují molekuly kapaliny na vstupu do nanokanálků. Zlaté nanovzorce byly vyrobeny pomocí techniky zvané "Nano-in-Nano" integrace, kterou vyvinuli výzkumníci a která umožňuje přesné vzorování mnohem menších funkčních nanovzorců v malých nanofluidních kanálcích.

Výsledné vyrobené nanofluidní zařízení je jen o málo větší než poštovní známka a není o mnoho tlustší. Lidským okem neviditelné nanokanálky s různou velikostí se nacházejí uprostřed, vložené mezi systém pro zavádění kapaliny ve tvaru dvou podkov.

Aby vědci otestovali hydrofobní úpravu, vtlačili vodu do širších jednorozměrných (1D) nanokanálů. V neošetřených kanálech bude voda pronikat do užších, dvourozměrných (2D) nanokanálů stejnou silou, která umožňuje rostlinám rozvádět vodu od kořenů k listům bez jakéhokoli vnějšího tlaku.

"Naproti tomu jsme pozorovali, že proudění vody se zastavilo na vstupu do 2D nanofluidních kanálů až do vnějšího tlaku 400 kPa," uvedl Xu. To je přibližně síla odpovídající průměrnému tlaku vody z domácího kohoutku. Při překročení tohoto tlaku vědci zjistili, že voda nanofluidní kanály prorazí.

Test potvrdil hydrofobní povahu kanálků, takže výzkumníci následně naplnili kanálky vodným roztokem ethanolu pod vysokým tlakem a poté pomocí vzduchu odstranili kapalinu z levého kanálu, čímž vytvořili rozhraní plyn-kapalina. Pod nulovým tlakem se rozhraní dostalo ke vstupům do 2D nanokanálů a rovnoměrně se zastavilo na hydrofilních zlatých nanopodložkách, kde se udrželo více než hodinu. Pod určitým vnějším tlakem se rozhraní mohlo přenášet podél nanokapalin.

Poté, co byla potvrzena stabilita nanorozhraní plyn-kapalina, vědci také úspěšně otestovali schopnost koncentrovat v nanorozhraní molekuly, které je zajímají. Svou práci a výsledky shrnuli v krátkém videu, které je k dispozici na YouTube.

Výzkumníci plánují další vývoj analytických a diagnostických zařízení na bázi čipů, která budou schopna z extrémně malých vzorků oddělovat, koncentrovat a detekovat biologické látky, jako jsou viry nebo biomarkery.

"Rozhraní plyn-kapalina v nanoměřítku zhotovená v hydrofilních a hydrofobních nanofluidních kanálech nabízí možnost přesného obohacování cílových molekul v přesně definovaném prostoru v nanoměřítku, což v budoucnu revolučně ovlivní řadu chemických, fyzikálních a biologických procesů a aplikací," uvedl Xu.

Zdrojem informací je Chemeurope.
Kredit obrázku: Yan Xu, OSAKA PREFECTURE UNIVERSITY

Pro kompletní informace si přečtěte celý článek.