नैनोफ्लुइडिक्स

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This article is about the dynamics of fluids confined in nanoscale structures. For fluids containing nanoparticles, see Nanofluid.
नैनोकैपिलरी एरे मेम्ब्रेन, या NCAM में नैनोफ्लुइडिक्स के एक विशेष अहसास का योजनाबद्ध आरेख। NCAM बड़ी संख्या में समानांतर नैनोकैपिलरी से बना है, जिनमें से प्रत्येक में एक ताकना त्रिज्या है, a/2, जो लगभग डेबी लंबाई के समान आकार का है, κ-1. बिजली की दोहरी परत को काउंटर-आयन वितरण, एन द्वारा वर्णित किया जाता है, जो छिद्र की दीवार पर सबसे बड़ा होता है और छिद्र के केंद्र की ओर क्षय होता है।

नैनोफ्लुइडिक्स तरल पदार्थ के व्यवहार, हेरफेर और नियंत्रण का अध्ययन है जो नैनोमीटर की संरचनाओं तक ही सीमित है (आमतौर पर 1-100 एनएम) विशेषता आयाम (1 एनएम = 10 −9 मीटर)। इन संरचनाओं में सीमित तरल पदार्थ भौतिक व्यवहार प्रदर्शित करते हैं जो बड़ी संरचनाओं में नहीं देखे जाते हैं, जैसे कि माइक्रोमीटर आयाम और उससे ऊपर, क्योंकि द्रव की विशेषता भौतिक स्केलिंग लंबाई, ( उदाहरण के लिए) डेबी की लंबाई, हाइड्रोडायनामिक त्रिज्या ) नैनोसंरचना के आयामों के साथ बहुत निकटता से मेल खाता है।

सिद्धांत

1965 में, राइस और व्हाइटहेड ने लंबे (आदर्श रूप से अनंत) नैनोमीटर-व्यास केशिकाओं में इलेक्ट्रोलाइट समाधानों के परिवहन के सिद्धांत में मौलिक योगदान प्रकाशित किया।[1] संक्षेप में, विद्युत क्षमता, ϕ, एक रेडियल दूरी पर, r, प्वासों-बोल्ट्ज़मैन समीकरण द्वारा दी गई है,

जहां κ व्युत्क्रम डेबी लंबाई है,

आयन संख्या घनत्व, n, परावैद्युत स्थिरांक, ε, बोल्ट्जमैन स्थिरांक, k, और तापमान, T द्वारा निर्धारित किया जाता है। क्षमता, φ(r) को जानने के बाद, चार्ज घनत्व को पोइसन समीकरण से पुनर्प्राप्त किया जा सकता है, जिसका समाधान पहली तरह के एक संशोधित बेसेल समारोह के रूप में व्यक्त किया जा सकता है, I0, और केशिका त्रिज्या के लिए स्केल किया गया, ए। संयुक्त दबाव और इलेक्ट्रोहाइड्रोडायनामिक्स के तहत गति का एक समीकरण | विद्युत चालित प्रवाह तब लिखा जा सकता है,

जहां η श्यानता है, dp/dz दाब प्रवणता है, और Fzलागू विद्युत क्षेत्र, ई की क्रिया द्वारा संचालित शरीर बल हैz, दोहरी परत में शुद्ध आवेश घनत्व पर। जब कोई लागू दबाव नहीं होता है, वेग का रेडियल वितरण निम्न द्वारा दिया जाता है,

ऊपर दिए गए समीकरण से, यह इस प्रकार है कि नैनोकेशिकाओं में द्रव प्रवाह κa उत्पाद द्वारा नियंत्रित होता है, अर्थात डेबी लंबाई और ताकना त्रिज्या के सापेक्ष आकार। इन दो मापदंडों और नैनोपोर्स के सतह चार्ज घनत्व को समायोजित करके, द्रव प्रवाह को इच्छानुसार हेरफेर किया जा सकता है।

इस तथ्य के बावजूद कि सामान्य बड़े पैमाने के द्रव यांत्रिकी की तुलना में नैनोफ्लुइडिक्स पूरी तरह से नई घटनाओं को जन्म देता है, आइसोट्रोपिक नैनोफ्लूडिक सिस्टम में संवेग परिवहन को नियंत्रित करने वाला एक मौलिक सातत्य सिद्धांत विकसित करना संभव है। यह सिद्धांत, जो शास्त्रीय नेवियर-स्टोक्स समीकरण का विस्तार करता है, नैनोमीटर लंबाई पर सिस्टम के कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ उत्कृष्ट समझौता दिखाता है।[2]


निर्माण

कार्ल ज़ीस क्रॉसबीम 550 - एक केंद्रित आयन बीम (FIB) के साथ एक क्षेत्र उत्सर्जन माइक्रोस्कोपी (FE-SEM) को जोड़ती है।
एक सिलिकॉन मास्टर स्टैम्प में Zeiss Crossbeam 550 L के साथ निर्मित नैनोफ्लुइडिक चैनल[3]

नैनोस्ट्रक्चर को सिलिकॉन, ग्लास, पॉलिमर (जैसे पॉली (पॉलिमिथाइल मेथाक्रायलेट)), पॉलीडाइमिथाइलसिलोक्सेन, पीसीटीई) और सिंथेटिक वेसिकल्स जैसी सामग्रियों से एकल बेलनाकार चैनल, नैनोस्लिट्स या नैनोचैनल सरणियों के रूप में गढ़ा जा सकता है।[4] मानक फोटोलिथोग्राफी, थोक या सतह माइक्रोमशीनिंग, प्रतिकृति तकनीक (एम्बॉसिंग, प्रिंटिंग, कास्टिंग और इंजेक्शन मोल्डिंग), और परमाणु ट्रैक या रासायनिक नक़्क़ाशी,[5][6][7]

आमतौर पर संरचनाओं का निर्माण करने के लिए उपयोग किया जाता है जो विशिष्ट नैनोफ्लुइडिक व्यवहार प्रदर्शित करते हैं।

अनुप्रयोग

फ्लुइडिक कंडिट्स के छोटे आकार के कारण, नैनोफ्लुइडिक संरचनाएं स्वाभाविक रूप से परिस्थितियों में लागू होती हैं, जिसमें मांग की जाती है कि नमूनों को बहुत कम मात्रा में संभाला जाए, जिसमें कल्टर काउंटिंग भी शामिल है,[8] प्रोटीन और डीएनए जैसे जैव-अणुओं के विश्लेषणात्मक अलगाव और निर्धारण,[3][9] और बड़े पैमाने पर सीमित नमूनों की आसान हैंडलिंग। नैनोफ्लुइडिक्स के अधिक आशाजनक क्षेत्रों में से एक माइक्रोफ्लुइडिक सिस्टम में एकीकरण की क्षमता है, यानी माइक्रोटोटल एनालिटिकल सिस्टम या प्रयोगशाला-ऑन-अ-चिप संरचनाएं। उदाहरण के लिए, NCAMs, जब microfluidic उपकरणों में शामिल किया जाता है, तो डिजिटल स्विचिंग का पुनरुत्पादन कर सकता है, जिससे द्रव को एक microfluidic चैनल से दूसरे में स्थानांतरित किया जा सकता है,[10][11] चयनात्मकता अलग और आकार और द्रव्यमान द्वारा विश्लेषणों को स्थानांतरित करना,[10][12][13][14][15] अभिकारकों को कुशलता से मिलाएं,[16] और अलग-अलग विशेषताओं वाले अलग-अलग तरल पदार्थ।[10][17] इसके अलावा, नैनोफ्लुइडिक संरचनाओं की तरल पदार्थ से निपटने की क्षमता और इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक घटकों की क्षमता के बीच एक प्राकृतिक सादृश्य है। इस सादृश्य का उपयोग सक्रिय इलेक्ट्रॉनिक कार्यों जैसे कि सुधार को महसूस करने के लिए किया गया है[18][19] और क्षेत्र-प्रभाव[20][21][22] और द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर[23][24] आयनिक धाराओं के साथ क्रिया। ट्यून करने योग्य माइक्रोलेंस सरणी के उत्पादन के लिए नैनोफ्लुइडिक्स का अनुप्रयोग नैनो-ऑप्टिक्स के लिए भी है[25][26] पोलीमरेज़ चेन रिएक्शन और संबंधित तकनीकों के लिए लैब-ऑन-ए-चिप उपकरणों के विकास के साथ नैनोफ्लुइडिक्स का जैव प्रौद्योगिकी, चिकित्सा और नैदानिक ​​​​निदान में महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ा है।[27][28] कम्प्यूटेशनल द्रव गतिकी का उपयोग करते हुए रेनॉल्ड्स संख्या और नुडसन संख्या संख्या के कार्य के रूप में द्रव बलों के संदर्भ में नैनोकणों के आसपास प्रवाह क्षेत्रों के व्यवहार को समझने का प्रयास किया गया है।[29][30][31] लिफ़्ट, ड्रैग और रेनॉल्ड्स संख्या के बीच के संबंध को मैक्रोस्केल द्रव गतिकी की तुलना में नैनोस्केल पर नाटकीय रूप से भिन्न दिखाया गया है।

चुनौतियां

कार्बन नैनोट्यूब और नैनोपाइप के माध्यम से तरल पदार्थ के प्रवाह से जुड़ी कई तरह की चुनौतियाँ हैं। एक सामान्य घटना तरल में बड़े अणुओं के कारण चैनल अवरोधन है। इसके अलावा, तरल में कोई भी अघुलनशील मलबा ट्यूब को आसानी से रोक सकता है। इस शोधकर्ता के लिए एक समाधान एक कम घर्षण कोटिंग या चैनल सामग्री खोजने की उम्मीद कर रहा है जो ट्यूबों को अवरुद्ध करने में मदद करता है। इसके अलावा, डीएनए जैसे जैविक रूप से प्रासंगिक अणुओं सहित बड़े पॉलिमर, अक्सर विवो में मोड़ते हैं, जिससे रुकावटें आती हैं। एक वायरस के विशिष्ट डीएनए अणुओं की लंबाई लगभग होती है। 100-200 किलोबेस और 20% पर जलीय घोल में लगभग 700 एनएम त्रिज्या का एक यादृच्छिक कुंडल बनाएगा। यह बड़े कार्बन पाइपों के छिद्रों के व्यास से भी कई गुना बड़ा है और एक दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब के व्यास के परिमाण के दो आदेश हैं।

यह भी देखें


संदर्भ

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