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。过去的研究已经实现了基于复杂纳米结构的电、光和化学门控方法的选择性和受控离子传输。在现在发表在Science Advances 上的一份新报告中，Jake Rabinowitz 和纽约哥伦比亚大学电气工程、生物科学和生物医学工程的一组研究人员使用纳米气泡机械控制纳米流体传输。他们机械地产生了通过表面钉扎稳定的纳米气泡，并使用低温透射电子显微镜技术对其进行了验证。研究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 等人。研究了纳米气泡如何通过在纳米移液管通道中产生亚稳态纳米气泡来控制纳米流体传输。表面钉扎的纳米气泡位于液固界面，可以无视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，包括液体过饱和气体和三相界面处的气体聚集; 绝缘氧化物、导电碳和液体电解质界面。这些机制的一个共同特征是纳米气泡表面和大量气体饱和溶液之间的气相浓度梯度降低。表面固定的纳米气泡具有多种应用，可在驱动选择性质量传输的同时控制(纠正或增强)纳米流体通道中的离子传输。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 等人。通过转移电解质流过界面电解质膜，在纳米吸管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) 和透射电子显微镜证实了纳米移液管内存在纳米气泡。该团队在长期研究期间监测了纳米气泡堵塞的纳米移液器，以验证它们的亚稳定性，并使用数值模型确认了结果。

使用冷冻电镜和电子表征检测纳米气泡

拉比诺维茨等人。首先用电解质填充纳米移液管，同时将吸头暴露在空气中。通过将这些移液管取出并重新浸入电解液中，它们允许静水压力将额外的电解液驱动到吸头中，同时表面张力保持空气空隙。静水压力和表面张力之间的机械竞争产生了不同尺寸的纳米气泡，以修改单个纳米吸管内的纳米气泡配置。

研究人员首先使用一组填充有中性缓冲液的均匀制备的纳米移液管测量离子电流，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。由于整流离子电流测量的可重复性，他们在连续电压扫描中确认了纳米气泡的亚稳定性，并使用冷冻电镜确认了纳米移液管内的纳米气泡占有率。该团队分析了为不同纳米气泡配置准备的几种电子测量，以了解它们的大小如何影响纳米流体传输。

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传输行为。该团队使用离子传输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理解实验系统来复制实验趋势。该团队研究了纳米气泡的 pH 依赖性，其中限制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) 增加了它们的电荷密度。

拉比诺维茨等人。将纳米气泡诱导的电流增强归功于离子浓度富集驱动的非线性电渗流。例如，在存在 140 mM氯化钾(KCl) 电解质的情况下，固有的纳米移液管整流(交流到直流电源转换)使它们能够证实纳米气泡是电导增强的来源。随着进一步稀释，5 mM KCl 中的纳米气泡产生更强的电导增强和整流。该团队比较了纳米气泡电导增强的浓度依赖性，以观察表面与体积的电导比，这与在通过纳米孔的表面电荷控制传输中观察到的相当。

纳米气泡亚稳态模型

然后，该团队使用可重复的和几何相关的测量来显示纳米气泡在几分钟内的稳定性，不受电场干扰。通过长期监测气泡堵塞的纳米移液器，他们注意到纳米气泡生长缓慢，其中含有 3M KCl 的纳米移液器显示出 1.3 的整流比和 54 兆欧的平均电阻。Rabinowitz 使用纳米气泡-电解质气体交换的动态平衡模型解释了气体过饱和液体中的稳定纳米气泡生长，并使用有限元建模和气体定律关系估计了纳米移液管壁的溶解气体浓度。

外表

通过这种方式，Jake Rabinowitz 及其同事通过纳米气泡堵塞的纳米移液管表征了离子传输，并在这些条件下观察了纳米气泡亚稳态。该团队展示了具有可调离子电流、原子级薄电解质膜和可与生物离子通道相媲美的有效孔径的复合纳米通道。该团队展示了在正向整流方向上提高纳米通道电导率的能力，并将观察结果归功于非线性电动现象。他们在这项研究中开发了一种机械技术，以在纳米移液管内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管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供了一种新系统，可以深入了解三相界面动力学。

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