首个可控纳米级气液界面的制造

当液体遇到气体时，就会形成一个独特的区域。分子本质上是可变的，可以从一种状态过渡到另一种状态，以独特的方式结合到所需或不需要的末端。从一杯咖啡的热量逸出到化学溶液中分子浓度的增加，气液界面在自然界和工程中无处不在。但是直到现在，缺乏能够精确控制这种气液界面的工具限制了它们的应用。

大阪府立大学的研究人员开发出首个纳米级可控气液界面。他们于 10 月 14 日在Nano Letters上发表了他们的设计和实验结果。

论文作者、大阪府立大学工程研究生院化学工程副教授徐彦说：“无论是工程设计还是在自然界中发生，气液界面在众多化学和生物过程中都发挥着重要作用。” “例如，纳米级气液界面在碳纳米管和多孔膜中随机生成，但制造可控的纳米级版本仍然具有挑战性，因为纳米流体通道太小而无法使用传统的表面控制方法。”

徐说，流体装置可帮助研究人员捕获目标分子并检查特定属性，以及通过精确控制几何形状设计的纳米级通道进行力相互作用。

在包含比纳米流体装置大 1,000 倍的通道的微流体装置中，可以改变通道的表面以吸引或排斥特定分子。

“这种表面改性通常用于微流体通道，但几乎从未探索过它对纳米流体通道的适用性，”徐说。

虽然微流体装置可以由多种材料制成，但纳米流体装置需要玻璃基板。据徐说，玻璃的光学透明性、热稳定性和机械强度等特性使其成为适用于广泛学科的有利材料和纳米流体学的理想材料。

虽然本质上是亲水的，但玻璃可以制成疏水的，这是一种用于表面改性的技术，以帮助阻止样品液体中的分子与玻璃中的分子结合。研究人员还制作了玻璃纳米通道——其宽度大约为一张纸的 1/1,000——具有精确放置的亲水金纳米图案，以局部吸引纳米通道入口处的液体分子。金纳米图案是使用一种称为“纳米中纳米”集成的技术制造的，该技术由研究人员开发，并允许在微小的纳米流体通道中对更小的功能性纳米图案进行精确图案化。

由此产生的制造的纳米流体装置比邮票略大，但并不厚得多。人眼看不见的大小不一的纳米通道位于中心，夹在形状像两个马蹄铁的液体引入系统之间。

为了测试疏水处理，研究人员将水推入更宽的一维 (1D) 纳米通道。在未经处理的通道中，水将使用相同的力芯吸到更窄的二维 (2D) 纳米通道中，使植物在没有任何外部压力的情况下将水从根部分配到叶子。

“相比之下，我们观察到水流在 2D 纳米流体通道的入口处停止，外部压力高达 400kPa，”Xu 说。这大约相当于家用水龙头的平均水压。超过这个压力，研究人员发现水会破坏纳米流体通道。

该测试验证了通道的工程疏水性，因此研究人员接下来在高压下用乙醇水溶液填充通道，然后使用空气从左通道中去除液体，形成气液界面。在零压力下，界面移动到 2D 纳米通道入口并均匀地停在亲水性金纳米图案处，保持一个多小时。在一些外部压力下，界面可以沿着纳米流体通道传输。

随着纳米级气液界面的稳定性得到证实，研究人员还成功测试了将感兴趣的分子集中在纳米级界面上的能力。

研究人员计划进一步开发基于芯片的分析和诊断设备，能够从极小样本中分离、浓缩和检测生物物质，例如病毒或生物标志物。

“在亲水性和疏水性纳米图案纳米流体通道中制造的纳米级气液界面提供了在明确定义的纳米级空间中精确富集目标分子的可能性，从而对未来的各种化学、物理和生物过程和应用产生革命性影响，”Xu说过。

标签：