Un dispositivo nanofluídico que permite fabricar interfaces gas-líquido a nanoescala. Crédito:Yan Xu, Universidad de la Prefectura de Osaka
Cuando el líquido se encuentra con el gas, se forma una zona única. Variables por naturaleza, las moléculas pueden cruzar de un estado a otro, combinándose de formas únicas con fines deseables o no deseados. Desde el calor que escapa de una taza de café hasta el aumento de las concentraciones moleculares en soluciones químicas, las interfaces gas-líquido son omnipresentes en la naturaleza y la ingeniería. Pero la falta de herramientas capaces de controlar con precisión tales interfaces gas-líquido limita sus aplicaciones, hasta ahora.
Investigadores de la Universidad de la Prefectura de Osaka han desarrollado la primera interfaz gas-líquido controlable a nanoescala. Publicaron su diseño y resultados experimentales el 14 de octubre en Nano Letters .
"Ya sea que esté diseñado u ocurra en la naturaleza, las interfaces gas-líquido juegan un papel importante en numerosos procesos químicos y biológicos", dijo el autor del artículo, Yan Xu, profesor asociado de ingeniería química en la Escuela de Graduados de Ingeniería de la Universidad de la Prefectura de Osaka. "Las interfaces gas-líquido a nanoescala se han generado aleatoriamente en nanotubos de carbono y membranas porosas, por ejemplo, pero la fabricación de versiones controlables a nanoescala sigue siendo un desafío porque los canales nanofluídicos son demasiado pequeños para hacer uso de enfoques convencionales para el control de superficies".
Los dispositivos fluídicos ayudan a los investigadores a capturar moléculas objetivo y examinar propiedades específicas, así como a forzar interacciones a través de canales a nanoescala diseñados con geometría controlada con precisión, dijo Xu.
En los dispositivos de microfluidos, que contienen canales unas 1000 veces más grandes que los de los dispositivos de nanofluidos, la superficie de los canales se puede cambiar para atraer o rechazar moléculas específicas.
"Tal modificación de la superficie se usa comúnmente para los canales de microfluidos, pero su aplicabilidad para los canales de nanofluidos casi nunca se explora", dijo Xu.
Mientras que los dispositivos microfluídicos se pueden fabricar a partir de una variedad de materiales, los dispositivos nanofluídicos requieren un sustrato de vidrio. Según Xu, las propiedades del vidrio, como la transparencia óptica, la estabilidad térmica y la robustez mecánica, lo convierten en un material favorable para aplicaciones en una amplia gama de disciplinas y un material ideal en nanofluídica.
Si bien es de naturaleza hidrofílica, el vidrio puede volverse hidrofóbico, una técnica utilizada en la modificación de superficies para ayudar a evitar que las moléculas en el líquido de la muestra se unan a las moléculas en el vidrio. Los investigadores también crearon nanocanales de vidrio, que tienen aproximadamente el ancho de 1/1000 de una hoja de papel, con nanopatrones de oro hidrofílico colocados con precisión para atraer moléculas líquidas localmente en la entrada de los nanocanales. Los nanopatrones de oro se fabricaron utilizando una técnica llamada integración "Nano-en-Nano", que fue desarrollada por los investigadores y permite un patrón preciso de nanopatrones funcionales mucho más pequeños en los diminutos canales nanofluídicos.
El dispositivo nanofluídico fabricado resultante es un poco más grande que un sello postal y no mucho más grueso. Los nanocanales de tamaño variado, invisibles para el ojo humano, se encuentran en el centro, intercalados entre un sistema de introducción de líquido con forma de dos herraduras.
Para probar el tratamiento hidrofóbico, los investigadores empujaron agua hacia los nanocanales unidimensionales (1D) más anchos. En los canales no tratados, el agua se absorberá en los nanocanales bidimensionales (2D) más estrechos usando la misma fuerza que permite que las plantas distribuyan el agua desde sus raíces hasta sus hojas sin ninguna presión externa.
Crédito:Universidad de la Prefectura de Osaka
"En contraste, observamos que el flujo de agua se detuvo en la entrada de los canales de nanofluidos 2D hasta una presión externa de 400 kPa", dijo Xu. Eso es aproximadamente la fuerza equivalente a la presión promedio del agua de un grifo doméstico. Más allá de esa presión, los investigadores encontraron que el agua rompería los canales de nanofluidos.
La prueba validó la naturaleza hidrofóbica diseñada de los canales, por lo que los investigadores luego llenaron los canales con una solución acuosa de etanol a alta presión y luego usaron aire para eliminar el líquido del canal izquierdo, creando una interfaz gas-líquido. Bajo presión cero, la interfaz viajó a las entradas de nanocanales 2D y se detuvo uniformemente en los nanopatrones de oro hidrofílicos, manteniéndose durante más de una hora. Bajo cierta presión externa, la interfaz podría transportarse a lo largo de los canales de nanofluidos.
Una vez confirmada la estabilidad de la interfaz gas-líquido a nanoescala, los investigadores también probaron con éxito la capacidad de concentrar moléculas de interés en la interfaz a nanoescala.
Los investigadores planean seguir desarrollando dispositivos analíticos y de diagnóstico basados en chips capaces de separar, concentrar y detectar materia biológica, como virus o biomarcadores, a partir de muestras extremadamente pequeñas.
"Las interfaces gas-líquido a nanoescala fabricadas en canales nanofluídicos nanopatrones hidrofílicos e hidrofóbicos ofrecen la posibilidad de enriquecer con precisión las moléculas objetivo en un espacio a nanoescala bien definido, impactando revolucionariamente una variedad de procesos y aplicaciones químicos, físicos y biológicos en el futuro", dijo Xu. dijo. Nanoporador de exosomas:un dispositivo de nanofluidos para desarrollar vehículos de administración de fármacos basados en exosomas
