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纳米气泡控制的纳米流体传输

纳米流体平台可以为生物传感,化学检测和过滤提供可调的材料传输。过去的研究已经基于复杂纳米结构的电,光和化学选通方法实现了选择性和受控的离子传输。杰克·拉比诺维茨(Jake Rabinowitz)和美国纽约哥伦比亚大学电气工程,生物科学和生物医学工程的研究团队在《科学进展》(Science Advances)上发表的新报告中,利用纳米气泡对纳米流体进行了机械控制。他们通过表面钉扎机械生成了稳定的纳米气泡,并使用低温透射电子显微镜技术对其进行了验证。调查结果与纳米流体设备工程和基于纳米移液器的应用。

研究纳米气泡的稳定性

在这项工作中,Rabinowitz等。研究了纳米气泡如何通过在纳米移液器通道中生成亚稳态纳米气泡来控制纳米流体的运输。表面固定的纳米气泡位于液-固界面处,可能会破坏瞬时溶解的物理和热力学预测。研究人员将纳米气泡的长寿命归功于一系列影响,包括液体过饱和并在三相界面处积聚了气体和气体; 绝缘氧化物,导电碳和液体电解质的界面。这些机制的共同特征是减少了纳米气泡表面和整体的气体饱和溶液之间的气相浓度梯度。表面固定的纳米气泡具有多种应用,可控制(整流或增强)纳米流体通道中的离子传输,同时驱动选择性质量传输。在更广泛的应用中,纳米气泡适用于水处理,靶向成像和药物输送。

在实验过程中,Rabinowitz等。通过使电解液流通过界面电解质膜而在纳米移液器通道中产生亚稳态纳米气泡。他们使用冷冻电子显微镜(cryo-EM)和透射电子显微镜确认了纳米移液器中纳米气泡的存在。该团队在长期研究中监测了装有纳米气泡的纳米移液器,以验证其亚稳定性,并使用数值模型确认了结果。

利用cryo-EM和电子表征检测纳米气泡

Rabinowitz等。首先将纳米吸管充满电解质,同时将吸头暴露在空气中。通过将这些移液器移出并重新浸入电解液中,它们允许静水压力将更多的电解液带入吸头,同时表面张力保持了空隙。静水压力和表面张力之间的机械竞争产生了各种大小的纳米气泡,以改变单个纳米移液器中的纳米气泡结构。

研究人员首先使用填充有中性缓冲液的一组均匀制备的纳米吸管来测量离子电流,其中周围电解质的离子条件决定了纳米通道的电流-电压响应。他们证实了由于连续离子扫掠过程中整流离子电流测量结果的可重复性,纳米气泡的亚稳定性,并证实了使用cryo-EM的纳米移液器中纳米气泡的占有率。该团队分析了为不同的纳米气泡配置准备的几种电子测量,以了解其尺寸如何影响纳米流体的传输。

纳米流体传输和纳米气泡增强的离子电导

纳米气泡的尺寸依赖性变化可以控制纳米移液器的流体响应并改变纳米流体的输送行为。该团队使用离子迁移模拟来支持纳米流体模型,并通过模拟电流-电压响应和阻抗模拟来复制实验趋势,以了解实验系统。该团队研究了纳米气泡的pH依赖性,其中在受限气泡上减少的氢氧化物条件(pH 2)导致负电荷,而增加的氢氧化物条件(pH 12)增加其电荷密度。

Rabinowitz等。将纳米气泡诱导的电流增强归因于由离子浓度富集驱动的非线性电渗流。例如,在140 mM氯化钾(KCl)电解质的存在下,固有的纳米吸管整流(交流电到直流电的转换)使它们能够证实纳米气泡作为电导增强的来源。通过进一步稀释,在5 mM KCl中的纳米气泡产生了更强的电导增强和整流。该团队比较了纳米气泡电导增强对浓度的依赖性,以观察表面与本体的电导比,这与通过纳米孔进行表面电荷控制的传输所观察到的相当。

纳米气泡亚稳模型

然后,研究小组使用了可重现的和几何形状相关的测量结果,以显示纳米气泡在几分钟内的稳定性,不受电场干扰。通过监测长期的气泡插入式纳米移液器,他们注意到纳米气泡的生长缓慢,其中包含3M KCl的纳米移液器的整流比为1.3,平均电阻为54兆欧。Rabinowitz使用动态平衡模型进行纳米气泡-电解质气体交换,解释了气体过饱和液体中纳米气泡的稳定增长,并使用有限元建模和气体定律关系估算了纳米移液管壁上的溶解气体浓度。

外表

这样,杰克·拉比诺维茨(Jake Rabinowitz)及其同事对离子在通过纳米气泡塞住的纳米移液管中的传输进行了表征,并观察到在这些条件下纳米气泡的亚稳态。该团队展示了具有可调离子电流,原子薄的电解质膜和与生物离子通道相当的有效孔径的复合纳米通道。该小组展示了在正向整流方向上提高纳米通道电导率的能力,并将观察结果归因于非线性电动现象。他们在这项研究中开发了一种机械技术,可在纳米移液器内部产生纳米气泡并制造这些运输系统。这项工作中详述的传输效应与依赖于通过纳米移液器的离子电流的应用有关,包括膜片钳电生理学和扫描离子电导显微镜。除此之外,在没有外部气体过饱和源的情况下长期纳米气泡生长的现象提出了一种新系统,该系统可以洞悉三相界面动力学。

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