Наногідродинаміка

Наногідродинаміка

Гном (з лат. nanos — карлик) - це міфічна істота короткого, міцного росту, що мешкає в таємних глибинах гір і шахт за межами відомого світу. На відміну від свого уявного тезки, нанотехнологія йде ще глибше: у саму структуру речовини. Вона базується на маніпулюванні речовиною в молекулярному масштабі та розробці технологій, функціональні компоненти яких становлять приблизно від 1 до 100 нанометрів (1 нм = 10-9 м). Згодом нанотехнологія розгалужилася на численні галузі досліджень, включаючи гідродинаміку. Класична гідродинаміка допомагає нам зрозуміти поведінку рідин (тобто газів і рідин) у структурах з характерними розмірами, що дозволяють моделювати рідини як суцільну масу, не зважаючи на їх молекулярний склад, тоді як наногідродинаміка застосовує протилежний підхід. Оскільки молекули рідин та потокових ділянок мають наближено одинакові розміри в діапазоні нанометрів, то використання моделі континууму потоку стає неможливим. Таким чином, наногідродинаміка насправді відрізняється від гідродинаміки і в майбутньому не буде зосереджена лише на аналізі та прогнозуванні протікання молекул через наноструктури, але й, як зараз міркують, це створить середовище для молекулярної збірки і тим самим полегшить молекулярне виробництво.

Класична гідродинаміка, що розробляється з 17 століття, вивчає потік рідин за допомогою внутрішніх і зовнішніх сил у просторах уявних розмірів. Класична гідродинаміка була важливою для вирішення широкого спектру наукових та інженерних завдань, наприклад: прогнозування погоди, вивчення океанічних течій, упорядкування літаків і автомобілів, опис потоку крові в організмі людини або протікання пари через лопаті парових турбін. Наногідродинаміка вивчає рух рідин у нанорозмірних областях. Потік у такому просторі потоку регулюється, насамперед, взаємодією молекул рідини з поверхнею площини. Наприклад, ці взаємодії набувають найважливішого значення в розробці мембран нанопор, виготовлених з вуглецевих нанотрубок, які можуть бути використані для знесолення морської води або для видалення CO2 з природного газу. Цікаво, що проникнення рідин через такі мембрани нанотрубок вище на кілька порядків, ніж те, що класична гідродинаміка передбачала б для еквівалентних композицій.

Потік молекул газу, середній вільний шлях яких становить близько декількох десятків нанометрів, або рідин, з відстані між молекулами в діапазоні нанометрів, через структуру потоку, що складається з нанорозмірних каналів або пір, можна моделювати за допомогою чисельної інтеграції системи кінетичних рівнянь для окремих рухомих молекул. Експериментально визначені швидкості потоку через наноструктури оцінюються напівемпіричними відношеннями, визначеними за допомогою молекулярно-динамічного моделювання. Зокрема, різні описи рівнянь дифузії використовуються для опису проникнення газів через нанофлюїди та модифіковані інтегральні залежності потоку, які враховують невеликі відстані молекул рідини та їх сильні взаємодії між собою, застосовуються для оцінки проникнення рідин.

Нанофлюїди

Завдяки постійному розвитку нанотехнологій з'являються нові процедури виготовлення проникних наноструктур та можливості їх застосування. Одною з таких є нанофлюїди. Це штучні структури потоку, що складаються з нанорозмірних каналів і пір, поверхня яких може вибірково реагувати з проникаючою рідиною. Наприклад, електрично заряджені поверхні нанофлюїдів придатні для селективного поділу молекул рідини або для передачі механічної енергії текучих молекул до електричної енергії. Аналогічно, «лабораторії на мікросхемі» інтегрують кілька лабораторних функцій у єдину інтегральну схему, яку зазвичай називають мікросхемою. Їх основні переваги полягають у можливості проведення декількох різних аналізів із зразком дуже низького обсягу або виявлення надзвичайно рідкісної події у великому обсязі. Останнє незамінне, наприклад, для виявлення циркулюючих пухлинних клітин, які мають неабияке значення для діагностики пухлини, постановки та оцінки терапії. Крім того, спеціально розроблені «лабораторії на мікросхемі» - це автономні пристрої, які можна легко використовувати на місці. Тому, усуваючи необхідність передачі зразків до центральної лабораторії, може бути проведений аналіз проб, який може бути корисним в надзвичайних ситуаціях або коли така передача була би недоцільною або неможливою, наприклад, відсутня інфраструктура.

Процес виготовлення нанофлюїдів і «лабораторій на мікросхемі» нелегкий і вимагає точних прийомів і спеціального обладнання. Такі конструкції можуть бути виготовлені підходом зверху вниз, коли канали в скло, діоксид кремнію або різні полімери створюються за допомогою фотолітографії, гравірування або лиття.. Останнім часом іонний промінь використовується для створення більш складних нанофлюїдів. І навпаки, підхід знизу вгору може збирати нанофлюїди з первинних компонентів, таких як живі клітини або полімерні наночастинки, надруковані спеціальними принтерами. Нанофлюїди можуть бути також виготовлені з вуглецевих нанотрубок. Це особливо вигідний підхід, оскільки вуглецеві нанотрубки можуть по різному збиратися та різноманітно модифіковуватися, що значно збільшує діапазон їх можливого практичного застосування.

Дослідження в Інституті гідродинаміки

У результаті співпраці чотирьох інститутів з трьох країн було визначено, що різні хімічні пари спеціально змінюють електропровідність лісу наностін (рис. 1). Таким чином, влаштовані наностіни можуть слугувати датчиками для виявлення непостійних органічних сполук.

У результаті співпраці двох науково-дослідних інститутів було встановлено, що застосування електричної напруги спеціально модулює проникність заплутаної мережі вуглецевих нанотрубок у напрямку різних хімічних парів різної полярності (рис. 2). Це дозволяє відокремити гази шляхом регулювання відповідних швидкостей дифузії через мембрану вуглецевої нанотрубки.

У результаті співпраці трьох науково-дослідних інститутів з двох країн були оцінені умови поздовжнього потоку мономеру епоксиду через шар заплутаних вуглецевих нанотрубок. Шар нанотрубок був частиною багатошарового композиту і після полімеризації служив повністю інтегрованим датчиком для постійного вимірювання композиційної деформації

Рисунок 1: Ліс наностін зверху (A) та збоку (B).

Рисунок 2: Вид мембрани (А), мікрофотографія поверхні мембрани із заплутаних вуглецевих нанотрубок (В) та мікрофотографія поперечного перерізу мембрани товщиною 50 мкм (С).

Джерела:

Слободян, П., Říha, P., Olejník, R., (2018). Електроконтрольоване проникнення парів через мережеві мембрани з вуглецевої нанотрубки. Операції IEEE з нанотехнологій, 17, 332-337.

Слободян, П., Льорет Пертегас, С., Říha, П., Матяш, Й., Олейнйк, Р., Шледжевський, Р., Коварж, М., (2018). Скловолокно / епоксидні композити з інтегрованим шаром вуглецевих нанотрубок для виявлення деформацій. Наука і техніка композитів. 156, 61-69.

Слободян, П., Cvelbar, U., Říha, P., Olejník, R., Matyáš J., Filipič, G., Watanabe, H., Tajima, S., Kondo, H., Sekine, M., Hori , М., (2015). Висока чутливість датчика на основі вуглецю для виявлення органічних парів. Королівське хімічне товариство: аванси. 5, 90515–90520.