Κατασκευάστηκε η πρώτη διεπαφή αερίου-υγρού που μπορεί να ελεγχθεί σε νανοκλίμακα

Μια νανορευστή συσκευή που επιτρέπει την κατασκευή νανο-διεπαφών αερίου-υγρού. Πίστωση: Yan Shu, Νομαρχιακό Πανεπιστήμιο της Οσάκα

Όταν ένα υγρό συναντά ένα αέριο, σχηματίζεται μια μοναδική περιοχή. Τα μόρια που είναι εγγενώς μεταβλητά μπορούν να περάσουν από τη μία κατάσταση στην άλλη, συνδυάζοντας με μοναδικούς τρόπους είτε επιθυμητά είτε ανεπιθύμητα άκρα. Από τη θερμότητα που εκπέμπεται από ένα φλιτζάνι καφέ έως τις αυξανόμενες μοριακές συγκεντρώσεις σε χημικά διαλύματα, οι διεπαφές αερίου-υγρού είναι πανταχού παρούσες στη φύση και τη μηχανική. Αλλά η έλλειψη εργαλείων ικανών να ελέγχουν με ακρίβεια τέτοιες διεπαφές αερίου-υγρού έχει περιορίσει τις εφαρμογές τους-μέχρι στιγμής.


Ερευνητές στο Νομαρχιακό Πανεπιστήμιο της Οσάκα ανέπτυξαν την πρώτη ελεγχόμενη διεπαφή αερίου-υγρού σε νανοκλίμακα. Δημοσίευσαν τα σχέδια και τα πειραματικά τους αποτελέσματα στις 14 Οκτωβρίου στις νανο μηνύματαΤο

Είτε κατασκευασμένες είτε εμφανίζονται στη φύση, οι διεπαφές αερίου-υγρού παίζουν σημαντικό ρόλο σε πολλές χημικές ουσίες και βιολογικές διεργασίες, δήλωσε ο συγγραφέας χαρτιού Yan Shu, αναπληρωτής καθηγητής χημικής μηχανικής στο Graduate School of Engineering in Osaka Prefectural University. “Οι νανορευστές διεπαφές αερίου-υγρού έχουν δημιουργηθεί τυχαία σε νανοσωλήνες άνθρακα και πορώδεις μεμβράνες, για παράδειγμα, αλλά η δημιουργία ελεγχόμενων νανοσωματιδίων παραμένει μια πρόκληση επειδή τα νανορευστά κανάλια είναι πολύ μικρά για να χρησιμοποιήσουν συμβατικές μεθόδους ελέγχου επιφάνειας”.

Οι ρευστές συσκευές βοηθούν τους ερευνητές να συλλάβουν μόρια -στόχους και να εξετάσουν συγκεκριμένες ιδιότητες, καθώς και αλληλεπιδράσεις δυνάμεων, μέσω νανοκαναλιών σχεδιασμένων με ακριβή ελεγχόμενη γεωμετρία, είπε ο Xu.

Σε μικρορευστές συσκευές, που έχουν κανάλια περίπου 1.000 φορές μεγαλύτερα από αυτά των νανορευστών συσκευών, η επιφάνεια των καναλιών μπορεί να αλλάξει για να προσελκύσει ή να απορρίψει συγκεκριμένα μόρια.

Πίστωση: Νομαρχιακό Πανεπιστήμιο της Οσάκα

“Μια τέτοια επιφανειακή τροποποίηση χρησιμοποιείται συνήθως για μικρορευστά κανάλια, αλλά η εφαρμογή της στα νανορευστά κανάλια δεν διερευνάται σχεδόν καθόλου”, δήλωσε ο Xu.

Ενώ οι μικρορευστές συσκευές μπορούν να κατασκευαστούν από διάφορα υλικά, οι νανορευστές συσκευές απαιτούν γυάλινο υπόστρωμα. Σύμφωνα με τον Xu, οι ιδιότητες του γυαλιού, όπως η οπτική διαφάνεια, θερμική σταθερότητα Και η μηχανική αντοχή του, το καθιστά ένα ευνοϊκό υλικό για εφαρμογές σε ένα ευρύ φάσμα κλάδων και ένα ιδανικό υλικό στα νανορευστά.

Ενώ το γυαλί είναι υδρόφιλο στη φύση, μπορεί να γίνει υδρόφοβο, μια τεχνική που χρησιμοποιείται για την τροποποίηση της επιφάνειας για να βοηθήσει να σταματήσει η σύνδεση των σωματιδίων σε ένα υγρό δείγμα με τα σωματίδια στο γυαλί. Οι ερευνητές έφτιαξαν επίσης γυάλινα νανοκάναλα – πλάτους περίπου 1/1.000 φύλλων – με επακριβώς τοποθετημένες υδρόφιλες νανοτυπίες χρυσού για να προσελκύουν τοπικά υγρά σωματίδια στην είσοδο των νανοκαναλιών. Οι χρυσές νανοπροτύπες κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται ολοκλήρωση “nano-in-nano”, η οποία αναπτύχθηκε από τους ερευνητές και επιτρέπει ακριβή μοντελοποίηση μικρότερων λειτουργικών νανοπροτύπων σε μικρο-νανορευστά κανάλια.

Η προκύπτουσα νανορευστή συσκευή είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από γραμματόσημο και όχι πολύ παχύτερη. Νανοκάναλα διαφόρων μεγεθών, αόρατα στο ανθρώπινο μάτι, κάθονται στο κέντρο, τοποθετημένα ανάμεσα σε ένα σύστημα εισαγωγής υγρού σε σχήμα πέταλου.

Για να δοκιμάσουν την αδιάβροχη επεξεργασία, οι ερευνητές ώθησαν το νερό σε ευρύτερα, μονοδιάστατα (1D) νανοκάναλα. Σε ακατέργαστα κανάλια, το νερό θα ρέει κατά μήκος των στενότερων δισδιάστατων (2D) νανοκαναλιών χρησιμοποιώντας την ίδια δύναμη που επιτρέπει στα φυτά να διανέμουν νερό από τις ρίζες τους στα φύλλα τους χωρίς καμία εξωτερική πίεση.

Κατασκευάστηκε η πρώτη διεπαφή αερίου-υγρού που μπορεί να ελεγχθεί σε νανοκλίμακα

Πίστωση: Νομαρχιακό Πανεπιστήμιο της Οσάκα

“Αντίθετα, παρατηρήσαμε ότι η ροή του νερού σταμάτησε στην είσοδο των δισδιάστατων νανορευστών καναλιών μέχρι εξωτερικής πίεσης 400 kPa”, δήλωσε ο Xu. Αυτό ισοδυναμεί με την ισχύ που ισοδυναμεί με τη μέση πίεση του νερού από μια βρύση στο σπίτι. Πέρα από αυτήν την πίεση, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το νερό διεισδύει στα νανορευστά κανάλια.

Η δοκιμή επικύρωσε την υδρόφοβη φύση των καναλιών, οπότε οι ερευνητές γέμισαν τα κανάλια με υδατικό διάλυμα αιθανόλης σε υψηλή πίεση και στη συνέχεια χρησιμοποίησαν αέρα για να αφαιρέσουν το υγρό από τα αριστερά. Κανάλι, δημιουργώντας μια διεπαφή μεταξύ αερίου και υγρού. Κάτω από μηδενική πίεση, η διεπαφή μετακινήθηκε στις εισόδους του 2D νανοκαναλιού και σταμάτησε ομοιόμορφα στις υδρόφιλες νανοπροτύπες χρυσού, διαρκώντας περισσότερο από μία ώρα. Υπό κάποια εξωτερική πίεση, η διεπαφή μπορεί να μεταφερθεί κατά μήκος νανορευστών καναλιών.

Με τη σταθερότητα της διεπαφής αερίου-υγρού-νανο επιβεβαιώθηκε, οι ερευνητές επίσης δοκίμασαν επιτυχώς την ικανότητα συγκέντρωσης μορίων ενδιαφέροντος στη νανοκλίμακα. διεπαφή χρήστηΤο

Οι ερευνητές σχεδιάζουν να αναπτύξουν αναλυτικές και διαγνωστικές συσκευές που βασίζονται σε τσιπ, ικανές να διαχωρίζουν, να συγκεντρώνουν και να ανιχνεύουν βιολογικά υλικά, όπως ιούς ή βιοδείκτες, από πολύ μικρά δείγματα.

«Οι νανοεπιφάνειες αερίου-υγρού που κατασκευάζονται σε υδρόφιλα και υδρόφοβα νανορευστά κανάλια προσφέρουν τη δυνατότητα να εμπλουτίσουν με ακρίβεια τα μόρια-στόχους σε έναν καλά καθορισμένο νανοχώρο, επηρεάζοντας επαναστατικά μια ποικιλία μελλοντικών χημικών, φυσικών και βιολογικών διεργασιών και εφαρμογών», είπε ο Xu.


Ο εξωσωμικός νανοπορωτήρας: μια νανορευστή συσκευή για την ανάπτυξη οχημάτων παράδοσης φαρμάκων με βάση εξωσόμια


περισσότερες πληροφορίες:
Hiroto Kawagishi et al, Κατασκευή διεπαφών υγρού-αερίου-νανο σε υδρόφιλα/υδρόφοβα νανορευστά κανάλια, νανο μηνύματα (2021). DOI: 10.1021 / acs.nanolett.1c02871

Παρέχεται από το Νομαρχιακό Πανεπιστήμιο της Οσάκα

το απόσπασμα: Η πρώτη ελεγχόμενη διεπαφή αερίου-υγρού (2021, 19 Οκτωβρίου) ανακτήθηκε στις 19 Οκτωβρίου 2021 από https://phys.org/news/2021-10-nanoscale-gas-l Liquid-interface-fabricated.html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Ανεξάρτητα από οποιαδήποτε δίκαιη αντιμετώπιση για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν μπορεί να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.

READ  Θα πρέπει να περιμένουμε περίπου 3.000 χρόνια για μια απάντηση από ευφυείς πολιτισμούς

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *