नैनोफ्लुइडिक सर्किट्री

नैनोफ्लुइडिक परिपथरी नैनोटेक्नोलॉजी है जिसका लक्ष्य नैनोमीटर मापदंड में तरल पदार्थों को नियंत्रित करना है। द्रव चैनल के अंदर विद्युत दोहरी परत के प्रभाव के कारण, नैनोफ्लुइडिक्स का व्यवहार इसके माइक्रोफ्लुइडिक्स समकक्षों की तुलना में अधिक भिन्न देखा जाता है। इसके विशिष्ट विशिष्ट आयाम 1-100 एनएम की सीमा के अंदर आते हैं। संरचना का कम से कम आयाम नैनोस्कोपिक स्केल पर है। नैनो-स्केल संरचना में तरल पदार्थों की घटना इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री और द्रव गतिशीलता में विभिन्न गुणों वाली पाई गई है।

पृष्ठभूमि

माइक्रोफैब्रिकेशन और नैनोटेक्नोलॉजी के विकास के साथ, माइक्रोफ्लुइडिक्स और नैनोफ्लुइडिक्स का अध्ययन अधिक ध्यान आकर्षित कर रहा है। माइक्रोफ्लुइडिक पर शोध से डीएनए विश्लेषण, लैब-ऑन-ए-चिप और सूक्ष्म-टीएएस में इसके लाभ पाए गए। माइक्रोफ्लुइडिक प्रणाली में उपकरणों में चैनल, वाल्व, मिक्सर और पंप सम्मिलित हैं। इन माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों का एकीकरण तरल पदार्थों के अंदर पदार्थों को छांटने, परिवहन और मिश्रण करने में सक्षम बनाता है। चूँकि, इन प्रणालियों में चलने वाले भाग की विफलता समान्यत: गंभीर उद्देश्य और मुख्य दोष है। यांत्रिक भागों का उपयोग किए बिना प्रवाह को नियंत्रित करने वाले तंत्र सदैव विश्वसनीयता और जीवनकाल के लिए वांछित होते हैं।

1997 में, वेई, एलन जे. बार्ड और फेल्डबर्ग ने पाया गया था कि आयन सुधार नैनो-आकार के पाइप की नोक पर होता है। उन्होंने देखा कि नैनो-पिपेट की दीवार पर सतह आवेश ने छिद्र के अंदर गैर-तटस्थ विद्युत क्षमता को प्रेरित किया गया था। विद्युत क्षमता तब आयन प्रजातियों की एकाग्रता को संशोधित करती है, जिसके परिणामस्वरूप पिपेट के माध्यम से वर्तमान के लिए असममित वर्तमान-वोल्टेज विशेषता होती है।

इलेक्ट्रोलाइट में आयनों के परिवहन को पतला आयनिक समाधान में पीएच मान को ट्यून करके या दीवार की सतह आवेश घनत्व को बदलने के लिए बाहरी विद्युत क्षमता प्रस्तुत करके समायोजित किया जा सकता है। जिससे अर्धचालक उपकरणों के सादृश्य के रूप में, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में आवेश वाहक परिवहन को नियंत्रित करने के लिए तंत्र नैनोफ्लुइडिक्स के क्षेत्र में स्थापित किया गया था। नैनोफ्लुइडिक्स में, आयन परिवहन का सक्रिय नियंत्रण नैनो-स्केल चैनलों या छिद्रों का उपयोग करके अनुभव किया जाता है।

सूक्ष्म-स्केल्ड फ्लुइडिक प्रणाली पर अनुसंधान प्रयासों ने सुधारात्मक घटनाओं पर ध्यान केंद्रित करना प्रारंभ कर दिया गया था जिसे केवल नैनो-स्केल्ड प्रणाली में देखा जा सकता है। 2006 में, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले में प्रोफेसर मजूमदार और प्रोफेसर यांग ने पहला नैनोफ्लुइडिक ट्रांजिस्टर बनाया था। ट्रांजिस्टर को बाहरी विद्युत संकेत द्वारा चालू या बंद किया जा सकता है, जिससे नैनो-स्केल चैनल में आयनिक तरल पदार्थ का नियंत्रण हो सकता है। उनका काम तार्किक कार्यों के साथ नैनोफ्लुइडिक परिपथरी बनाने की संभावना का तात्पर्य करता है।

नैनोफ्लुइडिक उपकरणों के क्षेत्र में मुख्य शोधकर्ताओं में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय - बर्कले में अरुण मजूमदार और पीडॉन्ग यांग, कॉर्नेल विश्वविद्यालय में हेरोल्ड क्रेगहेड और ब्रायन किर्बियाट, स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में जुआन सैंटियागो, ट्वेंटी विश्वविद्यालय में अल्बर्ट वैन डेन बर्ग, ज़ुज़ाना एस. सिवी सम्मिलित हैं। कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय - इरविन, और इलिनोइस विश्वविद्यालय - अर्बाना-शैंपेन में मार्क शैनन।

मूलभूत सिद्धांत

मैक्रो- या सूक्ष्म-स्केल्ड त्रिज्या वाले चैनल में इलेक्ट्रोलाइट समाधान के लिए, दीवार पर सतह आवेश इलेक्ट्रोस्टैटिक बल के कारण काउंटरों को आकर्षित करते हैं और सह-आयनों को विकर्षित करते हैं। इसलिए, चैनल की दीवार और समाधान के बीच विद्युत दोहरी परत उपस्थित होती है। विद्युत डबल परत का आयाम इस प्रणाली में डिबाई लंबाई द्वारा निर्धारित किया जाता है, जो समान्यत: चैनल त्रिज्या से बहुत छोटा होता है। विद्युत दोहरी परत के परिरक्षण प्रभाव के कारण चैनल में अधिकांश समाधान विद्युत रूप से तटस्थ है।

चूँकि नैनोचैनल में, समाधान तब आवेश किया जाता है जब चैनल त्रिज्या का आयाम डेबाई लंबाई से छोटा होता है। इसलिए, दीवार पर सतह आवेश लगाकर या बाहरी विद्युत क्षमता प्रयुक्त करके नैनोचैनल के अंदर आयनों के प्रवाह में परिवर्तन करना संभव है।

विलयन की आयनिक सांद्रता का आयन परिवहन पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। क्योंकि उच्च सांद्रता से चैनल की दीवार पर विद्युत डबल परत के लिए डेबाई की लंबाई कम हो जाती है। आयनिक सांद्रता बढ़ने के साथ इसका सुधारात्मक प्रभाव कम हो जाता है। जिसके दूसरी ओर, पतला घोल बनाकर आयन सुधार में सुधार किया जा सकता है।

आयन परिवहन

चैनल में आयनों के परिवहन का विश्लेषण करने के लिए, इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री के साथ-साथ द्रव यांत्रिकी में प्रणाली के व्यवहार पर विचार करने की आवश्यकता है। पॉइसन-नर्नस्ट-प्लैंक (पीएनपी) समीकरणों का उपयोग चैनल के माध्यम से बहने वाली आयनिक धारा का वर्णन करने के लिए किया जाता है, और नेवियर-स्टोक्स (एनएस) समीकरणों का उपयोग चैनल में द्रव गतिशीलता का प्रतिनिधित्व करने के लिए किया जाता है।

पीएनपी समीकरणों में पॉइसन समीकरण सम्मिलित है:

$\nabla ^{2}\phi =-{\frac {1}{\varepsilon _{0}\varepsilon }}\displaystyle \sum _{a}z_{a}en_{a}$

और नर्नस्ट-प्लैंक समीकरण, जो एक सांद्रता प्रवणता और विद्युत क्षमता प्रवणता के कारण आयन प्रजातियों $a$ के कण प्रवाह को देता है:

${\boldsymbol {J}}_{a}=-D_{a}(\nabla n_{a}+{\frac {z_{a}en_{a}}{kT}}\nabla \phi )$

जहां $\phi$ इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षमता है, e इलेक्ट्रॉन का इकाई आवेश है, $\varepsilon _{0}$ निर्वात में पारगम्यता है, और $\varepsilon$ समाधान का परावैद्युत स्थिरांक है; $D_{a}$, $n_{a}$ और $z_{a}$ विसरणशीलता, आयनों की संख्या घनत्व और आयन प्रजातियों की संयोजकता $a$ हैं।

स्थिर अवस्था में समाधान निरंतरता समीकरण को संतुष्ट करता है। नेवियर-स्टोक्स समीकरणों का उपयोग करके चैनल में द्रव वेग क्षेत्र का वर्णन करने के लिए:

$\nabla \cdot (n_{a}{\boldsymbol {u}}+{\boldsymbol {J}}_{a})=0$

$\nabla \cdot {\boldsymbol {u}}=0$

${\boldsymbol {u}}\cdot \nabla {\boldsymbol {u}}={\frac {1}{\rho }}[-\nabla p+\mu \nabla ^{2}{\boldsymbol {u}}-(\displaystyle \sum _{a}z_{a}en_{a})\nabla \phi ]$

जहाँ $p$, ${\boldsymbol {u}}$, $\mu$, और $\rho$ क्रमशः दबाव, वेग सदिश , श्यानता और द्रव का घनत्व हैं। ऊपर दिए गए समीकरणों को समान्यत: द्रव में वेग, दबाव, विद्युत क्षमता और आयनिक सांद्रता के साथ-साथ चैनल के माध्यम से विद्युत प्रवाह प्रवाह को निर्धारित करने के लिए संख्यात्मक एल्गोरिदम के साथ हल किया जाता है।

आयनिक चयनात्मकता

आयनिक प्रवाह नियंत्रण के लिए नैनो-चैनल के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए आयनिक चयनात्मकता को परिभाषित किया गया है। आयनिक चयनात्मकता बहुसंख्यक और अल्पसंख्यक वाहकों की धाराओं में अंतर का धनात्मक और ऋणात्मक दोनों आयनों $I$ द्वारा किए गए कुल प्रवाह का अनुपात है। धनायन और आयनों पर पूर्ण नियंत्रण वाले एक नैनोचैनल के लिए, चयनात्मकता एकता है। आयनिक प्रवाह नियंत्रण के बिना एक नैनोचैनल के लिए, चयनात्मकता शून्य है।

$S={\frac {I^{+}-I^{-}}{I^{+}+I^{-}}}$

नैनोफ्लुइडिक तर्क उपकरण

• परिवहन प्रयुक्त पूर्वाग्रह (प्रतिरोधक) के समानुपाती होता है
• परिवहन को दिशा में चलाया जा सकता है (डायोड)
• तीसरे ध्रुव (ट्रांजिस्टर) की प्रारंभ से लाभ पर नियंत्रण संभव है
• असममित द्वारों द्वारा आगे/रिवर्स दिशा का नियंत्रण (क्षेत्र-प्रभाव पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य डायोड)

डायोड

आयनिक परिवहन के सुधार के लिए नैनोफ्लुइडिक डायोड का उपयोग किया जाता है। इलेक्ट्रॉनिक परिपथ में डायोड विद्युत धारा के प्रवाह को दिशा तक सीमित करता है। नैनोफ्लुइडिक डायोड का कार्य आयनिक प्रवाह को दिशा में प्रतिबंधित करने का समान होता है। नैनोफ्लुइडिक डायोड चैनल है जिसका त्रिज्या आयाम अनेक नैनोमीटर है। चैनल की आंतरिक सतह सतही आवेशों से लेपित होती है। वर्तमान सुधार तब हो सकता है जब दीवार पर सतह के आवेश ही चिन्ह के हों। यह भी देखा गया है कि, जब चैनल के आधे भाग को विपरीत चिह्न या विद्युत रूप से तटस्थ के साथ लेपित किया जाता है, तो सुधार बढ़ाया जाएगा।

जब चैनल की दीवार को धनात्मक आवेश के साथ लेपित किया जाता है, तो इलेक्ट्रोलाइट में ऋणात्मक आवेश आयन आकर्षित होंगे और चैनल के अंदर जमा हो जाएंगे। इस स्थिति में, चैनल से गुजरने वाले धनात्मक आवेशों का प्रवाह अनुकूल नहीं है, जिसके परिणामस्वरूप आयनिक धारा में कमी आती है। इसलिए, यदि बायसिंग वोल्टेज विपरीत कर दिया जाए तो आयनिक धारा असममित हो जाती है।

• 

  एक रिवर्स-बायस्ड नैनोफ्लुइडिक डायोड

क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर

गेट इलेक्ट्रोड के रूप में नैनोचैनल पर अतिरिक्त इलेक्ट्रोड लगाने से, चैनल के अंदर विद्युत क्षमता को समायोजित करना संभव है। धातु गेट इलेक्ट्रोड और चैनल के बीच परावैद्युत सामग्री के रूप में ऑक्साइड के साथ सिलिका नैनोट्यूब से नैनोफ्लुइडिक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर बनाया जा सकता है। इसलिए, आयनिक धारा की ट्यूनिंग गेट पर लगाए गए वोल्टेज को बदलकर प्राप्त की जा सकती है। गेट पूर्वाग्रह और स्रोत-नाली पूर्वाग्रह को नैनोचैनल के अंदर धनायन और आयन एकाग्रता को समायोजित करने के लिए प्रयुक्त किया जाता है, इसलिए इसके माध्यम से बहने वाले आयनिक प्रवाह को समायोजित किया जाता है।

यह अवधारणा इलेक्ट्रॉनिक परिपथ में धातु-ऑक्साइड अर्धचालक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (एमओएसएफईटी) की संरचना का सादृश्य है। मोस्फेट के समान, नैनोफ्लुइडिक ट्रांजिस्टर नैनोफ्लुइडिक परिपथरी के निर्माण के लिए मूलभूत तत्व है। नैनोफ्लुइडिक परिपथरी प्राप्त करने की संभावना है, जो आयनिक कणों के लिए तर्क संचालन और परिवर्तन करने में सक्षम है।

चूंकि आयनिक धारा प्रवाह का संचालन गेट वोल्टेज द्वारा नियंत्रित किया जाता है, इसलिए चैनल की दीवार के रूप में उच्च परावैद्युत स्थिरांक वाली सामग्री का उपयोग करना वांछित है। इस स्थिति में, उच्च गेट कैपेसिटेंस के कारण चैनल के अंदर सशक्त क्षेत्र दिखाई देता है। गेट इलेक्ट्रोड द्वारा संभावित ट्यूनिंग के प्रभाव को सशक्त करने के लिए कम सतह आवेश वाली चैनल सतह भी वांछित है। इससे चैनल में आयनिक और इलेक्ट्रोस्टैटिक वातावरण को स्थानिक और अस्थायी रूप से ट्यून करने की क्षमता बढ़ जाती है।

• 

  एक नैनोफ्लुइडिक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर

क्षेत्र-प्रभाव पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य डायोड

नैनोचैनल के साथ असममित क्षेत्र प्रभाव प्रारंभ करके, क्षेत्र-प्रभाव पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य नैनोफ्लुइडिक डायोड संभव है, जो डायोड कार्य के पोस्ट-फैब्रिकेशन रीकॉन्फ़िगरेशन की सुविधा देता है, जैसे आगे/रिवर्स दिशाएं और सुधार डिग्री है। जो नैनोफ्लुइडिक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर के विपरीत, जहां केवल आयनों/अणुओं की मात्रा को इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षमता द्वारा नियंत्रित किया जाता है, क्षेत्र-प्रभाव पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य डायोड का उपयोग आयन/अणु परिवहन की दिशाओं और परिमाण दोनों को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है। इस उपकरण को इलेक्ट्रॉनिक क्षेत्र -प्रोग्रामेबल गेट ऐरे के आयनिक समकक्ष के लिए बिल्डिंग ब्लॉक्स के रूप में समझा जा सकता है।

आयनिक द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर

आयनिक द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर को नैनो-स्केल आयाम में सबसे छोटे उद्घाटन के साथ दो शंक्वाकार चैनलों से बनाया जा सकता है। प्रत्येक तरफ विपरीत सतह आवेशों को प्रस्तुत करते है, यह आयनिक धारा को आयनिक डायोड के रूप में सुधारने में सक्षम है। आयनिक द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर दो आयनिक डायोड को मिलाकर और चैनल की आंतरिक सतह के साथ पीएनपी जंक्शन बनाकर बनाया जाता है। जबकि आयनिक धारा उत्सर्जक सिरे से संग्राहक सिरे तक होती है, धारा की शक्ति को बेस इलेक्ट्रोड द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। इलेक्ट्रोलाइट सांद्रता या पीएच मान को बदलकर, चैनल की दीवार पर सतह आवेश को रासायनिक विधियों का उपयोग करके संशोधित किया जा सकता है।

आयनिक ट्रायोड

नैनोफ्यूडिक ट्रायोड तीन-टर्मिनल डबल जंक्शन नैनोफ्लुइडिक उपकरण है जो धनात्मक -आवेश एल्यूमिना और ऋणात्मक -आवेश सिलिका नैनोचैनल से बना है। यह उपकरण मूलतः तीन-टर्मिनल द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर है। एमिटर और कलेक्टर टर्मिनलों पर वोल्टेज को नियंत्रित करके, कोई आयनिक सिंगल-पोल, डबल-थ्रो स्विच के रूप में कार्य करते हुए, बेस टर्मिनल से अन्य दो टर्मिनलों में से तक आयन धारा को नियंत्रित कर सकता है।

नैनोसंरचनाओं का आकार प्रभाव

नैनोचैनल की चौड़ाई

जब सतह आवेश सूक्ष्म-स्केल्ड चौड़ाई के चैनल की दीवार पर उपस्थित होते हैं, तो काउंटरियन आकर्षित होते हैं और सह-आयन इलेक्ट्रोस्टैटिक बल द्वारा विकर्षित होते हैं। काउंटरियन्स दीवार के पास परिरक्षण क्षेत्र बनाते हैं। यह क्षेत्र डेबी लंबाई नामक निश्चित दूरी तक समाधान में प्रवेश करता है जब तक कि विद्युत क्षमता तटस्थता के थोक मूल्य तक कम नहीं हो जाती है। जलीय घोल के लिए डिबाई की लंबाई समान्यत: 1 एनएम से 100 एनएम तक होती है।

नैनो-चैनलों में, डिबाई की लंबाई समान्यत: चैनल की चौड़ाई के साथ तुलनीय होती है, इसलिए चैनल के अंदर समाधान आवेश किया जाता है। द्रव के अंदर के आयन अब सतही आवेश से सुरक्षित नहीं रहते। इसके अतिरिक्त , सतह आवेश नैनो-चैनल के अंदर आयनों की गतिशीलता को प्रभावित करता है।

नैनोचैनल की लंबाई

अच्छी चयनात्मकता के लिए चैनल का संकीर्ण और लंबा होना आवश्यक है। दूसरे शब्दों में, उच्च पहलू अनुपात वाले चैनल में उत्तम चयनात्मकता होती है। इसकी चयनात्मकता को और बढ़ाने के लिए, इसमें अत्यधिक आवेश वाली दीवार की आवश्यकता होती है।

आयनिक चयनात्मकता का प्रदर्शन भी अधिक सीमा तक प्रयुक्त पूर्वाग्रह से संबंधित है। जिससे कम पूर्वाग्रह के साथ, उच्च चयनात्मकता देखी जाती है। बायस वोल्टेज में वृद्धि के साथ, चयनात्मकता में स्पष्ट कमी आती है। जिसमे कम पहलू अनुपात वाले नैनोचैनल के लिए, पूर्वाग्रह वोल्टेज कम होने पर उच्च चयनात्मकता संभव है।

• 

  लंबे चैनल और कम बायस वोल्टेज के परिणामस्वरूप उच्च चयनात्मकता होती है

• 

  लघु चैनल और उच्च पूर्वाग्रह वोल्टेज के परिणामस्वरूप कम चयनात्मकता होती है

निर्माण

नैनोफ्लुइडिक उपकरणों का लाभ इलेक्ट्रॉनिक परिपथरी के साथ एकीकृत होने की इसकी व्यवहार्यता से है। क्योंकि वे ही विनिर्माण तकनीक का उपयोग करके बनाए गए हैं, इसलिए चिप पर डिजिटल एकीकृत परिपथ के साथ नैनोफ्लुइडिक प्रणाली बनाना संभव है। इसलिए, इलेक्ट्रोलाइट में कणों का नियंत्रण और परिवर्तन वास्तविक समय में प्राप्त किया जा सकता है।

नैनो-चैनलों के निर्माण को ऊपर से नीचे और नीचे से ऊपर की विधियों में वर्गीकृत किया गया है। टॉप-डाउन विधियां आईसी उद्योग और माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल प्रणाली अनुसंधान में उपयोग की जाने वाली पारंपरिक प्रक्रियाएं हैं। इसकी प्रारंभ विस्तृत सिलिकॉन वेफर पर फोटोलिथोग्राफी से होती है। इसके विपरीत, बॉटम-अप विधियां आंतरिक नैनो-स्केल आयाम वाले परमाणुओं या अणुओं से प्रारंभ होती हैं। इन बिल्डिंग ब्लॉक्स को साथ व्यवस्थित और संयोजित करते है यह केवल कुछ नैनोमीटर जितना छोटा नैनोस्ट्रक्चर बनाने में सक्षम है।

ऊपर से नीचे की विधियाँ

टॉप-डाउन निर्माण की विशिष्ट विधि में सब्सट्रेट वेफर पर चैनलों की ज्यामिति को परिभाषित करने के लिए फोटोलिथोग्राफी सम्मिलित है। ज्यामिति का निर्माण ट्रेंचर को बनाने के लिए अनेक पतली-फिल्म जमाव और नक़्क़ाशी चरणों द्वारा किया जाता है। ट्रेंचर को सील करने और चैनल बनाने के लिए सब्सट्रेट वेफर को दूसरे वेफर से जोड़ा जाता है। नैनो-चैनल बनाने की अन्य तकनीकों में बलि परतों के साथ सतह माइक्रोमशीनिंग, नैनो-इम्प्रिंटिंग लिथोग्राफी और सॉफ्ट-लिथोग्राफी सम्मिलित हैं।

नीचे से ऊपर की विधियाँ

बॉटम-अप फैब्रिकेशन के लिए उपयोग की जाने वाली सबसे समान्य विधि स्व-संग्रह मोनोलेयर (एसएएम) है। यह विधि समान्यत: सब्सट्रेट पर आणविक मोनोलेयर बनाने के लिए जैविक सामग्रियों का उपयोग करती है। कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) और क्वांटम तारों की वृद्धि से नैनो-चैनल भी बनाए जा सकते हैं। नीचे से ऊपर की विधियाँ समान्यत: लगभग कुछ नैनोमीटर की विशिष्ट लंबाई के साथ अच्छी तरह से परिभाषित आकार देती हैं। इन संरचनाओं को नैनोफ्लुइडिक उपकरणों के रूप में उपयोग करने के लिए, नैनो-चैनलों और माइक्रोफ्लुइडिक प्रणालियों के बीच अंतरसंबंध महत्वपूर्ण उद्देश्य बन जाता है।

आंतरिक सतह को विशिष्ट आवेशों से ढकने के अनेक विधि उपस्थित हैं। प्रसार-सीमित पैटर्निंग का उपयोग किया जा सकता है क्योंकि थोक समाधान केवल निश्चित दूरी के अंदर नैनोचैनल के प्रवेश द्वार में प्रवेश करता है। क्योंकि प्रत्येक अभिकारक के लिए प्रसार गति अलग-अलग होती है। नैनोचैनल में प्रवाहित होने वाले अभिकारकों के अनेक चरणों को प्रारंभ करते है, चैनल के अंदर विभिन्न सतह आवेशों के साथ सतह का पैटर्न बनाना संभव है।

आवेदन

रसायन विज्ञान, आणविक जीव विज्ञान और चिकित्सा में अनुप्रयोग के लिए नैनोफ्लुइडिक उपकरण बनाए गए हैं। नैनोफ्लुइडिक उपकरणों का उपयोग करने का मुख्य उद्देश्य सूक्ष्म-कुल-विश्लेषण प्रणाली पर दवा वितरण, जीन थेरेपी और नैनोकण विष विज्ञान के लिए नैनोकणों वाले समाधानों को अलग करना और मापना है। सूक्ष्म और नैनो-स्केल्ड प्रणाली का महत्वपूर्ण लाभ विश्लेषण में उपयोग किए जाने वाले नमूने या अभिकर्मक की छोटी मात्रा है। इससे नमूना प्रसंस्करण के लिए आवश्यक समय कम हो जाता है। किसी सरणी में विश्लेषण प्राप्त करना भी संभव है, जो प्रक्रियाओं को और गति देता है और विश्लेषण के थ्रूपुट को बढ़ाता है।

नैनोचैनल का उपयोग एकल-अणु संवेदन और निदान, साथ ही डीएनए पृथक्करण प्राप्त करने के लिए किया जाता है। अनेक स्थितियों में, तरल पदार्थों के तार्किक संचालन को सुविधाजनक बनाने के लिए नैनोफ्लुइडिक उपकरणों को माइक्रोफ्लुइडिक प्रणाली के अंदर एकीकृत किया जाता है। नैनोफ्लुइडिक प्रणालियों का भविष्य विश्लेषणात्मक रसायन विज्ञान और जैव रसायन, तरल परिवहन और माप, और ऊर्जा रूपांतरण जैसे अनेक क्षेत्रों पर केंद्रित होगा।

नैनोफ्लुइडिक्स में, आयनों की संयोजकता संख्या उनके शुद्ध इलेक्ट्रोफोरेटिक वेग निर्धारित करती है। दूसरे शब्दों में, नैनो-चैनल में आयन का वेग न केवल उसकी आयन गतिशीलता से चूँकि उसकी आयन संयोजकता से भी संबंधित होता है। यह नैनोफ्लुइडिक्स के सॉर्टिंग कार्य को सक्षम बनाता है, जिसे सूक्ष्म चैनल में नहीं किया जा सकता है। इसलिए, नैनोचैनल का उपयोग करके छोटे स्ट्रैंड डीएनए के लिए छंटाई और पृथक्करण करना संभव है। एकल-अणु डीएनए अनुप्रयोग के लिए, अंतिम लक्ष्य प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य और स्पष्ट परिणाम में जीनोमिक डीएनए के स्ट्रैंड को अनुक्रमित करना है। इसी तरह का अनुप्रयोग क्रोमैटोग्राफी, या समाधान में विभिन्न सामग्रियों को अलग करने में भी पाया जा सकता है।

इसका उपयोग रेशों के संश्लेषण में भी पाया जा सकता है। पॉलिमर फाइबर को तरल और वैक्यूम के बीच इंटरफेस पर मोनोमर्स को इलेक्ट्रोस्पिन करके बनाया जा सकता है। सब्सट्रेट पर संरेखित मोनोमर्स के प्रवाह से संगठित बहुलक संरचना बनती है।

ऊर्जा रूपांतरण में नैनोफ्लुइडिक तकनीक लाने का भी प्रयास है। इस स्थिति में, विद्युत आवेशित दीवार स्टेटर के रूप में व्यवहार करती है, जबकि प्रवाहित समाधान रोटर के रूप में यह देखा गया है कि जब दबाव-चालित विलायक आवेश किए गए नैनोचैनल के माध्यम से बहता है, तो यह स्ट्रीमिंग धारा और स्ट्रीमिंग क्षमता उत्पन्न कर सकता है। इस घटना का उपयोग विद्युत ऊर्जा संचयन में किया जा सकता है।

नैनोफैब्रिकेशन तकनीकों में प्रगति और ऊर्जा की कमी के बारे में चिंताएं लोगों को इस विचार में रुचि रखती हैं। मुख्य चुनौती दक्षता बढ़ाना है, जो मानक घूर्णी विद्युत चुम्बकीय जनरेटर के लिए लगभग 95 प्रतिशत तक की क्षमता की तुलना में अब केवल कुछ प्रतिशत है।

हाल की प्रगति

हाल के अध्ययन माइक्रोसिस्टम्स में नैनोफ्लुइडिक उपकरणों के एकीकरण पर ध्यान केंद्रित करते हैं। दो लंबाई-मापदंड के बीच कनेक्शन के लिए इंटरफ़ेस बनाया जाना चाहिए। केवल नैनोफ्लुइडिक उपकरणों के साथ प्रणाली अव्यावहारिक है क्योंकि इसमें तरल पदार्थ को नैनो-चैनल में प्रवाहित करने के लिए बड़े ड्राइविंग दबाव की आवश्यकता होगी।

नैनोफ्लुइडिक उपकरण अपनी उच्च संवेदनशीलता और अणु तक भी नमूना सामग्री के स्पष्ट परिवर्तन में शक्तिशाली हैं। फिर भी, नैनोफ्यूडिक पृथक्करण प्रणालियों का दोष अपेक्षाकृत कम नमूना थ्रूपुट और इसका पता लगाने में परिणाम है। समस्या से सामना करने का संभावित विधि प्रत्येक चैनल में समानांतर पहचान के साथ समानांतर पृथक्करण चैनलों का उपयोग करना है। इसके अतिरिक्त उपस्थित अणुओं की बहुत कम मात्रा को देखते हुए पता लगाने के लिए उत्तम दृष्टिकोण तैयार करने की आवश्यकता है।

इस शोध क्षेत्र में सबसे बड़ी चुनौतियों में से विचित्र आकार-प्रभाव के कारण है। शोधकर्ता अत्यधिक उच्च सतह-से-आयतन अनुपात के कारण होने वाली समस्याओं को हल करने का प्रयास करते हैं। इस स्थिति में, अणुओं के सोखने से बड़े हानि हो सकते हैं और सतह के गुण भी बदल सकते हैं।

एक और उद्देश्य तब उठता है जब पता लगाने के लिए नमूना अपेक्षाकृत बड़ा अणु होता है, जैसे डीएनए या प्रोटीन। बड़े अणु के अनुप्रयोग में, क्लॉगिंग चिंता का विषय है क्योंकि नैनोचैनल का छोटा आकार ऐसा करना आसान बनाता है। इस एप्लिकेशन में द्रव चैनलों को अवरुद्ध होने से बचाने के लिए चैनल की आंतरिक सतह पर कम घर्षण कोटिंग की आवश्यकता होती है।

यह भी देखें

• नैनोफ्लुइडिक्स
• माइक्रोफ्लुइडिक्स
• डबल परत (इंटरफ़ेशियल)
• डिबाई लंबाई

बाहरी संबंध

• First Nanofluidic Transistor
• World's 1st Nanofluidic Device with Complex 3-D Surfaces Built