Erste kontrollierbare Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche im Nanomaßstab hergestellt

22.10.2021 - Japan

Wenn Flüssigkeit und Gas aufeinander treffen, bildet sich eine einzigartige Zone. Von Natur aus variabel, können Moleküle von einem Zustand in einen anderen übergehen und sich auf einzigartige Weise entweder zu erwünschten oder unerwünschten Zwecken verbinden. Von der Wärme, die aus einer Kaffeetasse entweicht, bis hin zu steigenden Molekülkonzentrationen in chemischen Lösungen sind Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen in Natur und Technik allgegenwärtig. Aber ein Mangel an Werkzeugen, die solche Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen präzise kontrollieren können, schränkt ihre Anwendungen ein - bis jetzt.

Forscher der Universität Osaka haben die erste kontrollierbare Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche auf der Nanoskala entwickelt. Sie veröffentlichten ihr Design und ihre experimentellen Ergebnisse am 14. Oktober in Nano Letters.

"Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen spielen in zahlreichen chemischen und biologischen Prozessen eine wichtige Rolle, unabhängig davon, ob sie künstlich hergestellt wurden oder in der Natur vorkommen", so der Autor der Studie, Yan Xu, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der Graduate School of Engineering der Universität Osaka Prefecture. "Nanoskalige Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen wurden zum Beispiel in Kohlenstoffnanoröhren und porösen Membranen zufällig erzeugt, aber die Herstellung kontrollierbarer, nanoskaliger Versionen ist immer noch eine Herausforderung, weil Nanofluidikkanäle zu klein sind, um konventionelle Ansätze zur Oberflächenkontrolle zu nutzen.

Fluidische Geräte helfen den Forschern, Zielmoleküle einzufangen und spezifische Eigenschaften zu untersuchen sowie Wechselwirkungen durch Kanäle im Nanomaßstab zu erzwingen, die eine präzise kontrollierte Geometrie aufweisen, so Xu.

In mikrofluidischen Geräten, die Kanäle enthalten, die etwa 1.000 Mal größer sind als die in nanofluidischen Geräten, kann die Oberfläche der Kanäle verändert werden, um bestimmte Moleküle anzuziehen oder abzuweisen.

"Eine solche Oberflächenmodifikation wird üblicherweise für mikrofluidische Kanäle verwendet, aber ihre Anwendbarkeit für nanofluidische Kanäle ist fast nie erforscht", sagte Xu.

Während mikrofluidische Geräte aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden können, benötigen nanofluidische Geräte ein Glassubstrat. Xu zufolge machen Glaseigenschaften wie optische Transparenz, thermische Stabilität und mechanische Robustheit Glas zu einem günstigen Material für Anwendungen in einer Vielzahl von Disziplinen und zu einem idealen Werkstoff für die Nanofluidik.

Obwohl Glas von Natur aus hydrophil ist, kann es hydrophob gemacht werden, eine Technik, die bei der Oberflächenmodifizierung eingesetzt wird, um zu verhindern, dass sich Moleküle in der Probenflüssigkeit mit Molekülen im Glas verbinden. Die Forscher stellten auch Nanokanäle aus Glas her - die etwa die Breite von 1/1.000 eines Blattes Papier haben - und versahen sie mit hydrophilen Gold-Nanomustern, die präzise platziert wurden, um Flüssigkeitsmoleküle am Eingang der Nanokanäle lokal anzuziehen. Die Gold-Nanomuster wurden mit einer Technik namens "Nano-in-Nano"-Integration hergestellt, die von den Forschern entwickelt wurde und eine präzise Strukturierung von viel kleineren funktionalen Nanomustern in den winzigen Nanofluidkanälen ermöglicht.

Das so entstandene Nanofluidik-Gerät ist etwas größer als eine Briefmarke und nicht viel dicker. Die Nanokanäle unterschiedlicher Größe, die für das menschliche Auge unsichtbar sind, befinden sich in der Mitte zwischen einem Flüssigkeitseinführungssystem in Form von zwei Hufeisen.

Um die hydrophobe Behandlung zu testen, drückten die Forscher Wasser in die breiteren, eindimensionalen (1D) Nanokanäle. In unbehandelten Kanälen wird das Wasser in die engeren, zweidimensionalen (2D) Nanokanäle sickern, und zwar mit der gleichen Kraft, mit der Pflanzen das Wasser ohne äußeren Druck von den Wurzeln zu den Blättern verteilen.

"Im Gegensatz dazu beobachteten wir, dass der Wasserfluss am Eingang der 2D-Nanofluidikkanäle bis zu einem äußeren Druck von 400 kPa zum Stillstand kam", so Xu. Das entspricht in etwa dem durchschnittlichen Wasserdruck eines Wasserhahns zu Hause. Über diesen Druck hinaus stellten die Forscher fest, dass Wasser die Nanofluidikkanäle durchbrechen würde.

Daher füllten die Forscher die Kanäle als Nächstes mit einer wässrigen Ethanollösung unter hohem Druck und entfernten dann mit Hilfe von Luft die Flüssigkeit aus dem linken Kanal, wodurch eine Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche entstand. Unter Nulldruck wanderte die Grenzfläche zu den 2D-Nanokanaleingängen und blieb gleichmäßig an den hydrophilen Goldnanomustern stehen, was über eine Stunde lang anhielt. Unter einem gewissen Außendruck konnte die Grenzfläche entlang der Nanofluidikkanäle transportiert werden.

Nachdem die Stabilität der nanoskaligen Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche bestätigt worden war, testeten die Forscher auch erfolgreich die Fähigkeit, Moleküle von Interesse in der nanoskaligen Grenzfläche zu konzentrieren. Sie fassten ihre Arbeit und die Ergebnisse in einem kurzen Video zusammen, das auf YouTube verfügbar ist.

Die Forscher planen, chipbasierte Analyse- und Diagnosegeräte weiterzuentwickeln, die in der Lage sind, biologische Stoffe wie Viren oder Biomarker aus extrem kleinen Proben zu trennen, zu konzentrieren und nachzuweisen.

"Nanoskalige Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen, die in hydrophilen und hydrophoben nanomusterierten nanofluidischen Kanälen hergestellt werden, bieten die Möglichkeit, Zielmoleküle in einem genau definierten nanoskaligen Raum präzise anzureichern, was in Zukunft eine Vielzahl von chemischen, physikalischen und biologischen Prozessen und Anwendungen revolutionieren wird", so Xu.

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