नैनोफ्लुइडिक्स

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 (1एनएम = 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।

जब संरचनाएं आणविक स्केलिंग लंबाई के अनुरूप आकार शासन तक पहुंचती हैं, तो द्रव के व्यवहार पर नई भौतिक बाधाएं रखी जाती हैं। उदाहरण के लिए, ये भौतिक बाधाएँ द्रव के क्षेत्रों को नए गुणों को प्रदर्शित करने के लिए प्रेरित करती हैं जो थोक में नहीं देखे जाते हैं, उदाहरण के लिए ताकना दीवार के पास अत्यधिक चिपचिपापन ; वे थर्मोडायनामिक गुणों में परिवर्तन को प्रभावित कर सकते हैं और द्रव-ठोस इंटरफ़ेस पर प्रजातियों की रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता को भी बदल सकते हैं। एक विशेष रूप से प्रासंगिक और उपयोगी उदाहरण नैनोपोर्स में सीमित इलेक्ट्रोलाइट समाधानों द्वारा प्रदर्शित किया जाता है जिसमें सतह के आवेश होते हैं, अर्थात विद्युतीकृत इंटरफेस पर, जैसा कि साथ में चित्र में नैनोकैपिलरी एरे मेम्ब्रेन (NCAM) में दिखाया गया है।

सभी विद्युतीकृत इंटरफेस सतह के पास एक संगठित आवेश वितरण को प्रेरित करते हैं जिसे विद्युत दोहरी परत के रूप में जाना जाता है। नैनोमीटर आयामों के छिद्रों में विद्युत दोहरी परत नैनोपोर की चौड़ाई को पूरी तरह से फैला सकती है, जिसके परिणामस्वरूप द्रव की संरचना में नाटकीय परिवर्तन और संरचना में द्रव गति के संबंधित गुण होते हैं। उदाहरण के लिए, ताकना के अत्यधिक बढ़े हुए सतह-से-आयतन अनुपात में सह-आयनों (दीवार आवेशों के समान चिह्न रखने वाले) पर काउंटर-आयनों ( यानी आयनों को स्थिर दीवार आवेशों के विपरीत चार्ज किया जाता है) का एक प्रमुख परिणाम होता है। सह-आयनों के लगभग पूर्ण बहिष्करण के कई मामले, जैसे कि छिद्र में केवल एक आयनिक प्रजाति मौजूद है। यह माइक्रोमीटर और बड़ी संरचनाओं में असामान्य तरल पदार्थ हेरफेर योजनाओं को प्राप्त करने के लिए ताकना लंबाई के साथ चयनात्मक ध्रुवीयता के साथ प्रजातियों के हेरफेर के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

सिद्धांत
1965 में, राइस और व्हाइटहेड ने लंबे (आदर्श रूप से अनंत) नैनोमीटर-व्यास केशिकाओं में इलेक्ट्रोलाइट समाधानों के परिवहन के सिद्धांत में महत्वपूर्ण योगदान प्रकाशित किया। संक्षेप में, विभव, ϕ, रेडियल दूरी पर, r, प्वासों-बोल्ट्ज़मान समीकरण द्वारा दिया जाता है,


 * $$\frac{1}{r}\frac{d}{dr}\left (r \frac{d\phi}{dr} \right )= \kappa^2 \phi,$$

जहां κ व्युत्क्रम डेबी लंबाई है,


 * $$\kappa = \sqrt{\frac{8\pi n e^2}{\epsilon k T}}, $$

आयन संख्या घनत्व, n, परावैद्युत स्थिरांक, ε, बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक, k, और तापमान, T द्वारा निर्धारित किया जाता है। संभावित, φ(r) को जानने के बाद, चार्ज घनत्व को पॉइसन समीकरण से पुनर्प्राप्त किया जा सकता है, जिसका समाधान पहली तरह के संशोधित बेसेल फ़ंक्शन के रूप में व्यक्त किया जा सकता है, I 0, और कैपिलरी त्रिज्या, a तक बढ़ाया जा सकता है। संयुक्त दबाव और विद्युत चालित प्रवाह के तहत गति का समीकरण तब लिखा जा सकता है,


 * $$\frac{1}{r} \frac{d}{dr} \left (r \frac{d v_z}{dr} \right )= \frac{1}{\eta} \frac{dp}{dz} - \frac{F_z}{\eta},$$

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,


 * $$v_z\left (r \right) = \frac{\epsilon \phi_0}{4 \pi \eta} E_z \left [ 1 - \frac {I_0 \left ( \kappa r \right )} {I_0 \left ( \kappa a \right )} \right ].$$

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।

निर्माण


नैनोसंरचना को एकल बेलनाकार चैनल, नैनोस्लिट्स, या नैनोचैनल सरणियों के रूप में सिलिकॉन, कांच, पॉलिमर (जैसे पीएमएमए, पीडीएमएस, पीसीटीई) और सिंथेटिक वेसिकल्स। मानक फोटोलिथोग्राफी, थोक या सतह माइक्रोमशीनिंग, प्रतिकृति तकनीक (एम्बॉसिंग, प्रिंटिंग, कास्टिंग और इंजेक्शन मोल्डिंग), और परमाणु ट्रैक या रासायनिक निक्षारण,  का उपयोग आमतौर पर संरचनाओं को गढ़ने के लिए किया जाता है जो विशिष्ट नैनोफ्लुइडिक व्यवहार प्रदर्शित करते हैं। आमतौर पर संरचनाओं का निर्माण करने के लिए उपयोग किया जाता है जो विशिष्ट नैनोफ्लुइडिक व्यवहार प्रदर्शित करते हैं।

अनुप्रयोग
फ्लुइडिक कंडक्ट के छोटे आकार के कारण, नैनोफ्लुइडिक संरचनाएं स्वाभाविक रूप से उन स्थितियों में लागू होती हैं, जिनमें मांग की जाती है कि नमूनों को बहुत कम मात्रा में हैंडल किया जाए, जिसमें कॉल्टर काउंटिंग, विश्लेषणात्मक पृथक्करण और जैव-अणुओं के निर्धारण, जैसे प्रोटीन और डीएनए, शामिल हैं। 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 लैब-ऑन-ए-चिप संरचनाएं। उदाहरण के लिए, NCAMs, जब मइक्रोफ्लूइडिक्स उपकरणों में शामिल किया जाता है, तो पुनरुत्पादित रूप से डिजिटल स्विचिंग कर सकता है, तरल पदार्थ को एक मइक्रोफ्लूइडिक्स चैनल से दूसरे में स्थानांतरित करने की अनुमति देता है, चयनात्मकता अलग और आकार और द्रव्यमान द्वारा विश्लेषण स्थानांतरित करता है,   प्रभावी ढंग से अभिकारकों को मिलाते हैं, और असमान विशेषताओं वाले तरल पदार्थों को अलग करते हैं। 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 सुधार  और क्षेत्र-प्रभाव   और द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर  आयनिक धाराओं के साथ कार्रवाई के लिए किया गया है। नैनोफ्लुइडिक्स का अनुप्रयोग नैनो-ऑप्टिक्स के लिए ट्यून करने योग्य माइक्रोलेंस सरणी के उत्पादन के लिए भी है

नैनोफ्लुइडिक्स का पीसीआर और संबंधित तकनीकों के लिए लैब-ऑन-ए-चिप उपकरणों के विकास के साथ जैव प्रौद्योगिकी, चिकित्सा और नैदानिक निदान में महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ा है। कम्प्यूटेशनल द्रव गतिकी का उपयोग करके रेनॉल्ड्स और नुडसन संख्या के एक समारोह के रूप में द्रव बलों के संदर्भ में नैनोकणों के आसपास प्रवाह क्षेत्रों के व्यवहार को समझने का प्रयास किया गया है।  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। वायरस के विशिष्ट डीएनए अणुओं की लंबाई लगभग होती है। 100–200 किलोबेस और लगभग 700 त्रिज्या की एक यादृच्छिक कुंडली बनेगी 20% पर जलीय घोल में एनएम। 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

 * नैनोयांत्रिकी
 * नैनो टेक्नोलॉजी
 * माइक्रोफ्लुइडिक्स
 * नैनोफ्लुइडिक सर्किटरी