От радиальной к однонаправленной перекачке воды в зете

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2812 (2022) Цитировать эту статью

1803 Доступов

5 цитат

13 Альтметрика

Подробности о метриках

Микронасосы с химическим приводом представляют собой многообещающие беспроводные системы для автономного управления потоками жидкости во многих приложениях. Однако многие из этих систем активируются вредным химическим топливом, не могут работать при высоких концентрациях солей или испытывают трудности с контролем направления потока. В этой работе мы сообщаем о полимерном микронасосе с автономным приводом, работающем на соли, который может вызывать как радиальные, так и однонаправленные потоки жидкости. В основе микронасоса лежит катионообменник Нафион, создающий химические градиенты и локальные электрические поля, способные запускать межфазные электроосмотические потоки. Однонаправленная накачка прогнозируется с помощью моделирования и достигается экспериментально путем наноструктурирования нафиона в микрочипы с точной модуляцией дзета-потенциалов окружающей поверхности. Микронасосы Nafion работают в широком диапазоне концентраций солей, могут использоваться повторно и могут работать на различных катионах солей. Мы демонстрируем, что они работают с обычным загрязнителем воды кадмием, используя собственный захват этого иона в качестве топлива для перекачки жидкости. Таким образом, эта система имеет потенциал для эффективных и быстрых стратегий очистки воды для восстановления окружающей среды. Однонаправленные насосы Nafion также обещают эффективную доставку аналитов или предварительное концентрирование для (био)сенсорных анализов.

Межфазные диффузио-осмотические и/или электроосмотические потоки жидкости, запускаемые самогенерируемыми химическими градиентами, являются основой микро/наномоторов или пловцов с химическим приводом. Интенсивная деятельность в этой увлекательной области в последние годы обеспечила очень привлекательные демонстрации многозадачности пловцов1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16, 17,18,19,20. Иммобилизованные аналоги микро/наномоторов представляют собой микронасосы, имеющие тот же принцип работы, что и пловцы, но приводящие в движение поток окружающей жидкости, а не самодвижущиеся в покоящейся жидкости21. Эти обездвиженные версии моторов также особенно подходят для лучшего экспериментального исследования и понимания механизмов фореза у пловцов21. Микронасосы также являются многообещающей платформой для многих приложений, таких как массовое высвобождение, транспортировка, накопление и очистка5,22; нанесение рисунка материала в точных местах23,24,25; или в сенсорных приложениях22,26,27.

В последние годы исследуются автономные микронасосы с различным материальным составом и принципами работы. Большинство исследований было сосредоточено на каталитических биметаллических или полупроводниково-металлических насосах, управляемых электроосмотическими потоками5,21,28,29,30,31,32,33,34. В насосах другого типа пассивные материалы сочетаются с металлами, полупроводниками, твердыми солями, полимерами или ферментами, включая ионные, нейтральные диффузио-осмотические или конвективные потоки, обусловленные плотностью, индуцированные градиентами ионов или нейтральных частиц, генерируемых в активной части насоса. насос32,35,36,37,38,39. Перекачивание жидкости также достигалось путем простого освещения микрофлюидной камеры ультрафиолетовым светом, инициирования фотохимических реакций в фазе раствора, которые вызывают потоки за счет плавучести растворенного вещества (в объеме жидкости) и диффузионного осмоса (у стенок камеры)27.

Многие из насосов, описанных выше, срабатывают в результате реакции разложения перекиси водорода (H2O2), которая может быть токсичной для некоторых применений, особенно в биологическом контексте. Поэтому всегда существует необходимость поиска более безобидного химического топлива или новых механизмов реакций для преодоления таких ограничений. Использование двигателей или насосов, питаемых ферментными субстратами, является очень элегантным способом расширения применения в биомедицинской области9,10,37,38,39. Другой альтернативой использования безобидного топлива являются автономные насосы или пловцы из ионообменных полимеров. В этом контексте сообщалось о насосе на основе иммобилизации частиц ионообменных смол на стекле, способном запускать электроосмотические потоки с микромолярными концентрациями солей40. Однако большинство биомедицинских и экологических приложений по восстановлению окружающей среды должны работать при более высоких концентрациях соли.