Un dispositivo nanofluidico che consente la fabbricazione di interfacce gas-liquido su scala nanometrica. Credito:Yan Xu, Università della Prefettura di Osaka
Quando il liquido incontra il gas, si forma una zona unica. Variabili per natura, le molecole possono passare da uno stato all'altro, combinandosi in modi unici con fini desiderabili o indesiderati. Dal calore che fuoriesce da una tazza di caffè all'aumento delle concentrazioni molecolari nelle soluzioni chimiche, le interfacce gas-liquido sono onnipresenti in tutta la natura e l'ingegneria. Ma la mancanza di strumenti in grado di controllare con precisione tali interfacce gas-liquido limita le loro applicazioni, fino ad ora.
I ricercatori dell'Università della Prefettura di Osaka hanno sviluppato la prima interfaccia gas-liquido controllabile su scala nanometrica. Hanno pubblicato il loro design e i risultati sperimentali il 14 ottobre in Nano Letters .
"Indipendentemente dal fatto che siano progettate o presenti in natura, le interfacce gas-liquido svolgono un ruolo importante in numerosi processi chimici e biologici", ha affermato l'autore dell'articolo Yan Xu, professore associato di ingegneria chimica presso la Graduate School of Engineering presso l'Università della Prefettura di Osaka. "Le interfacce gas-liquido su nanoscala sono state generate casualmente in nanotubi di carbonio e membrane porose, ad esempio, ma la fabbricazione di versioni controllabili su scala nanometrica è ancora difficile perché i canali nanofluidici sono troppo piccoli per utilizzare gli approcci convenzionali al controllo della superficie".
I dispositivi fluidici aiutano i ricercatori a catturare le molecole bersaglio ed esaminare proprietà specifiche, nonché interazioni di forza attraverso canali su nanoscala progettati con una geometria controllata con precisione, ha affermato Xu.
Nei dispositivi microfluidici, che contengono canali circa 1.000 volte più grandi di quelli dei dispositivi nanofluidici, la superficie dei canali può essere modificata per attrarre o rifiutare molecole specifiche.
"Tale modifica della superficie è comunemente usata per i canali microfluidici, ma la sua applicabilità per i canali nanofluidici non è quasi mai esplorata", ha detto Xu.
Mentre i dispositivi microfluidici possono essere realizzati con una varietà di materiali, i dispositivi nanofluidici richiedono un substrato di vetro. Secondo Xu, le proprietà del vetro, come la trasparenza ottica, la stabilità termica e la robustezza meccanica, lo rendono un materiale favorevole per applicazioni in un'ampia gamma di discipline e un materiale ideale nella nanofluidica.
Sebbene sia di natura idrofila, il vetro può essere reso idrofobo, una tecnica utilizzata nella modifica della superficie per aiutare a impedire alle molecole nel liquido campione di legarsi alle molecole nel vetro. I ricercatori hanno anche realizzato nanocanali di vetro, che hanno all'incirca la larghezza di 1/1.000 di un foglio di carta, con nanomodelli d'oro idrofili posizionati con precisione per attirare localmente le molecole liquide all'ingresso dei nanocanali. I nanopattern d'oro sono stati fabbricati utilizzando una tecnica chiamata integrazione "Nano-in-Nano", che è stata sviluppata dai ricercatori e consente la modellazione precisa di nanopattern funzionali molto più piccoli nei minuscoli canali nanofluidici.
Il dispositivo nanofluidico fabbricato risultante è un po' più grande di un francobollo e non molto più spesso. I nanocanali di dimensioni variabili, invisibili all'occhio umano, si trovano al centro, inseriti tra un sistema di introduzione del liquido a forma di due ferri di cavallo.
Per testare il trattamento idrofobico, i ricercatori hanno spinto l'acqua nei più ampi nanocanali unidimensionali (1D). Nei canali non trattati, l'acqua penetrerà nei nanocanali bidimensionali (2D) più stretti utilizzando la stessa forza che consente alle piante di distribuire l'acqua dalle sue radici alle sue foglie senza alcuna pressione esterna.
Credito:Università della Prefettura di Osaka
"Al contrario, abbiamo osservato che il flusso d'acqua si è fermato all'ingresso dei canali nanofluidici 2D fino a una pressione esterna di 400 kPa", ha detto Xu. Si tratta della forza equivalente alla pressione media dell'acqua di un rubinetto di casa. Al di là di tale pressione, i ricercatori hanno scoperto che l'acqua violerebbe i canali nanofluidici.
Il test ha convalidato la natura idrofobica ingegnerizzata dei canali, quindi i ricercatori hanno successivamente riempito i canali con una soluzione acquosa di etanolo ad alta pressione e quindi hanno utilizzato l'aria per rimuovere il liquido dal canale sinistro, creando un'interfaccia gas-liquido. A pressione zero, l'interfaccia ha viaggiato verso gli ingressi dei nanocanali 2D e si è fermata uniformemente ai nanopattern d'oro idrofili, tenendosi per oltre un'ora. Sotto una certa pressione esterna, l'interfaccia potrebbe essere trasportata lungo i canali nanofluidici.
Con la conferma della stabilità dell'interfaccia gas-liquido su scala nanometrica, i ricercatori hanno anche testato con successo la capacità di concentrare le molecole di interesse nell'interfaccia su scala nanometrica.
I ricercatori intendono sviluppare ulteriormente dispositivi analitici e diagnostici basati su chip in grado di separare, concentrare e rilevare la materia biologica, come virus o biomarcatori, da campioni estremamente piccoli.
"Le interfacce gas-liquido su scala nanometrica fabbricate in canali nanofluidici idrofili e idrofobici offrono la possibilità di arricchire con precisione le molecole bersaglio in uno spazio di nanoscala ben definito, con un impatto rivoluzionario su una varietà di processi e applicazioni chimiche, fisiche e biologiche in futuro", Xu disse. + Esplora ulteriormente
