İlk Kontrol Edilebilir Nano Ölçekli Gaz-Sıvı Arayüzü Üretildi

Fotoğraf: Nano ölçekli gaz-sıvı arayüzlerinin üretilmesini sağlayan bir nanoakışkan cihaz

Sıvı gazla karşılaştığında benzersiz bir bölge oluşturmaktadır. Doğası gereği değişken olan moleküller, arzu edilen veya istenmeyen uçlara benzersiz şekillerde birleşerek bir durumdan diğerine geçebilmektedir. Bir fincan kahveden çıkan ısıdan kimyasal çözeltilerdeki artan moleküler konsantrasyonlara kadar, gaz-sıvı arayüzleri doğada ve mühendislikte her yerde bulunmaktadır. Ancak bu tür gaz-sıvı arayüzlerini hassas bir şekilde kontrol edebilen araçların eksikliği, şimdiye kadar uygulamalarını sınırlamaktadır.

Osaka Eyalet Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, nano ölçekte ilk kontrol edilebilir gaz-sıvı arayüzünü geliştirdiler. Tasarımlarını ve deneysel sonuçlarını 14 Ekim’de Nano Letters dergisinde yayınladılar.

Osaka Eyalet Üniversitesi Mühendislik Enstitüsü’nde Kimya Mühendisliği doçenti olan makale yazarı Yan Xu, “İster mühendislik ister doğada meydana gelsin, gaz-sıvı arayüzleri sayısız kimyasal ve biyolojik süreçte önemli bir rol oynuyor. Nano ölçekli gaz-sıvı arayüzleri, örneğin karbon nanotüplerde ve gözenekli membranlarda rastgele oluşturulmuştur, ancak nanoakışkan kanalları yüzey kontrolüne yönelik geleneksel yaklaşımları kullanmak için çok küçük olduğundan, kontrol edilebilir, nano ölçekli sürümlerin üretilmesi hala zor olmaktadır.” dedi.

Xu, akışkan cihazların araştırmacıların hedef molekülleri yakalamasına ve belirli özellikleri incelemesine yardımcı olmasının yanı sıra, hassas bir şekilde kontrol edilen geometri ile tasarlanmış nano ölçekli kanallar aracılığıyla etkileşimleri zorlamaya yardımcı olduğunu söyledi.

Nanoakışkan cihazlardan yaklaşık 1000 kat daha büyük kanallar içeren mikroakışkan cihazlarda, kanalların yüzeyi belirli molekülleri çekmek veya reddetmek için değiştirilebilmektedir.

Xu, “Bu tür yüzey modifikasyonu yaygın olarak mikroakışkan kanallar için kullanılıyor, ancak nanoakışkan kanallar için uygulanabilirliği neredeyse hiç araştırılmadı.” dedi.

Mikroakışkan cihazlar çeşitli malzemelerden yapılabilirken, nanoakışkan cihazlar bir cam alt katmanı (substrat) gerektirmektedir. Xu’ya göre; optik şeffaflık, termal kararlılık ve mekanik sağlamlık gibi cam özellikleri, onu çok çeşitli disiplinlerdeki uygulamalar ve nanoakışkanlar için uygun bir malzeme haline gelmektedir.

Doğada hidrofilik özellik gösteren cam, numune sıvısındaki moleküllerin yüzeydeki moleküllere bağlanmasını durdurmaya yardımcı olmak için yüzey modifikasyonunda kullanılan bir teknik olan hidrofobik hale gelebilmektedir. Araştırmacılar ayrıca, nanokanalların girişinde sıvı molekülleri yerel olarak çekmek için hassas bir şekilde yerleştirilmiş hidrofilik altın nano desenlerle, kabaca 1 / 1000 kağıt yaprağı genişliğinde cam nanokanallar ürettiler. Altın nanopatternler, araştırmacılar tarafından geliştirilen ve minik nanoakışkan kanallarda çok daha küçük fonksiyonel nanopatternlerin hassas bir şekilde modellenmesini sağlayan “Nano-in-Nano” entegrasyonu adı verilen bir teknik kullanılarak üretildi.

Ortaya çıkan fabrikasyon nanoakışkan cihaz, bir posta pulundan büyük değildir. İnsan gözünün göremediği büyüklükteki nanokanallar, iki at nalı şeklinde bir sıvı giriş sistemi arasına sıkıştırılıp merkezine yerleştirilmiştir.

Hidrofobik arıtmayı test etmek için araştırmacılar; suyu daha geniş, tek boyutlu (1D) nanokanallara ittiler. Arıtılmamış kanallarda su, bitkilerin suyu herhangi bir dış basınç olmadan köklerinden yapraklarına dağıtmasına izin veren aynı kuvveti kullanarak daha dar, iki boyutlu (2D) nanokanallara fitil olacaktır.

Xu, “Aksine, 2D nanoakışkan kanalların girişinde su akışının 400 kPa’lık bir dış basınca kadar durduğunu gözlemledik. Bu, bir ev musluğundan gelen ortalama su basıncının kuvvet eşdeğeri ile ilgilidir. Bu basıncın ötesinde, araştırmacılar suyun nanoakışkan kanalları kıracağını buldular.” dedi.

Test, kanalların tasarlanmış hidrofobik yapısını doğruladı, bu nedenle araştırmacılar daha sonra kanalları yüksek basınçta etanol sulu çözeltisiyle doldurdu ve ardından sol kanaldan sıvıyı çıkarmak için havayı kullanarak bir gaz-sıvı arayüzü oluşturdu. Sıfır basınç altında, arayüz 2D nanokanal girişlerine gitti ve bir saatten fazla tutarak hidrofilik altın nano modellerinde düzgün bir şekilde durdu. Bazı dış basınç altında, arayüz nanoakışkan kanallar boyunca taşınabilmektedir.

Nano ölçekli gaz-sıvı arayüzünün kararlılığı onaylandıktan sonra, araştırmacılar ayrıca nano ölçekli arayüzde ilgilenilen molekülleri konsantre etme yeteneğini de başarıyla test ettiler. Çalışmalarını ve sonuçlarını YouTube’da bulunan kısa bir videoda özetlediler.

Araştırmacılar, virüsler veya biyolojik belirteçler gibi biyolojik maddeleri son derece küçük örneklerden ayırabilen, konsantre edebilen ve tespit edebilen çip tabanlı analitik ve teşhis cihazlarını daha da geliştirmeyi planlıyor.

Xu, “Hidrofilik ve hidrofobik nano desenli nanoakışkan kanallarda üretilen nano ölçekli gaz-sıvı arayüzleri, gelecekte çeşitli kimyasal, fiziksel ve biyolojik süreçleri ve uygulamaları devrimsel bir şekilde etkileyen, iyi tanımlanmış bir nano ölçekli alanda hedef moleküllerini hassas bir şekilde zenginleştirme imkanı sunuyor.” dedi.

Kaynak: chemeurope.com