Globale, evaporazione controllata, dispositivo micro/nanofluidico (GECMN) per il controllo del trasporto di piccole molecole. a) Illustrazione schematica del GECMN costituito da due microcanali collegati alla nanoslit. b) Il trasporto di massa diffusivo di piccole molecole verso il canale di drenaggio è proibito dal flusso avettivo guidato dall'evaporazione dal drenaggio verso il centro della nano fenditura, facendo accumulare le piccole molecole nelle nanofessure disidratate. c) Trasporto di piccole molecole accumulate verso il canale di drenaggio per diffusione per la nanofessura idratata. Credito:Istituto nazionale di scienza e tecnologia di Ulsan
I chip microfluidici sono molto promettenti per applicazioni senza precedenti nel rilevamento di agenti patogeni e nella diagnosi del cancro. Tali dispositivi spesso richiedono film sottili su scala nanometrica per il filtraggio di campioni liquidi, così come dispositivi di potenza o stimoli chimici che ne controllano la direzione del flusso. Però, rimangono ancora molte sfide con la maggior parte dei meccanismi precedenti, compresi complicati processi di fabbricazione, limitazioni dei materiali, e danni indesiderati sui campioni.
Un gruppo di ricerca, guidato dal professor Taesung Kim nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'UNIST ha presentato il controllo del trasporto guidato dall'evaporazione di piccole molecole in nanofessure permeabili ai gas e a basso rapporto d'aspetto, in cui sia il trasporto di massa diffusivo che quello avettivo dei soluti sono influenzati dall'evaporazione del solvente attraverso le pareti delle nanofessure.
A differenza del metodo esistente, la nuova tecnica ha attirato una notevole attenzione come tecnologia di base multifunzionale che consente il controllo attivo e versatile di piccole molecole, come valvolare, concentrazione, pompaggio, e capacità di filtraggio su un chip, senza danneggiare i campioni.
In questo studio, il team di ricerca ha caratterizzato sperimentalmente l'effetto del flusso di evaporazione sul trasporto di massa di piccole molecole in vari dispositivi micro/nanofluidici integrati con nanofessure. Le loro scoperte hanno mostrato che il trasporto di piccole molecole lungo la nanofessura era in gran parte governato dal flusso di evaporazione e dalla lunghezza delle nanofessure. Hanno anche eseguito simulazioni numeriche per supportare teoricamente i risultati sperimentali con il modello di avvezione e diffusione, consentendo così la descrizione del trasporto con il coefficiente di diffusione adimensionalizzato e il flusso di evaporazione.
Locale, evaporazione controllata, dispositivo micro/nanofluidico (LECMN), consentendo il gating di trasporto di molecole indirizzabili in un dispositivo micro/nanofluidico. Credito:UNIST
Hanno inoltre dimostrato che il controllo del trasporto guidato dall'evaporazione in dispositivi micro/nanofluidici basati su nanofessure può essere utilizzato come valvola-molecola, concentratore, pompa, e filtro, mostrando un notevole potenziale per una varietà di applicazioni in micro/nanofluidi.
I ricercatori hanno anche utilizzato la loro precedente fotolitografia assistita da cracking per fabbricare un'immagine globale, evaporazione controllata, dispositivo micro/nanofluidico (GECMN) integrato con un gas permeabile, Nanoslit basata su PDMS, che consentiva il trasporto di massa diffusivo ma sopprimeva il flusso guidato dalla pressione tramite un'elevata resistenza idraulica.
I loro risultati sono stati pubblicati nella versione online di Comunicazioni sulla natura il 26 febbraio 2021. Questo studio è stato sostenuto da una sovvenzione della National Research Foundation of Korea (NRF), finanziato dal Ministero coreano della scienza e delle TIC (MSIT).
