나노기술 및 정책 정보

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나노 유체 플랫폼은 바이오 센싱, 화학 물질 검출 및 여과를 위한 조정 가능한 물질 수송을 제공할 수 있음. 과거의 연구는 복잡한 나노 구조의 전기적, 광학적 및 화학적 게이팅 방법을 기반으로 선택적이고 제어된 이온 수송을 달성했음.

콜롬비아 대학교(Columbia University) 연구팀이 나노 버블을 사용하여 기계적으로 제어되는 나노 유체 수송을 수행했음. 그들은 표면 고정을 통해 안정된 나노 버블을 기계적으로 생성하고 극저온 투과 전자 현미경 기술을 사용하여 검증했음. 연구 결과는 나노 유체 장치 공학 및 나노 피펫 기반 응용 분야와 관련이 있음. 나노 버블이 나노 피펫 채널에서 준안정 나노 버블을 생성하여 나노 유체 수송을 제어하는 방법을 연구했음. 표면 고정 나노 버블은 액체-고체 계면에 존재하며 즉각적인 용해에 대한 물리적 및 열역학적 예측을 무시할 수 있음. 연구자들은 나노 버블의 긴 수명이 3 상 계면에서 기체 및 기체 축적에 의한 액체 과포화를 포함하는 일련의 효과에 기인함. 절연 산화물, 전도성 탄소 및 액체 전해질 인터페이스. 이러한 메커니즘의 공통적인 특징은 나노 버블 표면과 벌크 가스 포화 용액 사이의 기상 농도 구배를 줄이는 것임. 표면 고정 나노 버블은 나노 유체 채널에서 이온 수송을 제어(정류 또는 향상)하는 동시에 선택적 질량 수송을 유도하는 다양한 응용 분야를 제공함. 광범위한 응용 분야에서 나노 버블은 수처리, 표적 이미징 및 약물 전달에 적합함. 계면 전해질 필름을 통해 전해질 흐름을 전환하여 나노 피펫 채널에서 준안정 나노 버블을 생성했음. 그들은 투과 전자 현미경을 이용한 저온 전자 현미경(cryo-EM)을 이용하여 나노 피펫 내부에 나노 버블의 존재를 확인했음. 연구팀은 준안정성을 확인하기 위해 장기 연구 중에 나노 버블 플러그 나노 피펫을 모니터링하고 수치 모델을 사용하여 결과를 확인했음. 공기에 노출된 팁을 유지하면서 먼저 전해질로 나노 피펫을 채웠음. 이 피펫을 제거하고 전해질에 다시 담그면 표면 장력이 공기 공극을 유지하면서 정수압이 추가 전해질을 팁으로 유도할 수 있음. 정수압과 표면 장력 사이의 기계적 경쟁은 다양한 크기의 나노 버블을 만들어 단일 나노 피펫 내에서 나노 버블 구성을 수정했음. 연구진은 먼저 중성 버퍼로 채워진 균일하게 준비된 나노 피펫 세트를 사용하여 이온 전류를 측정했으며, 여기서 주변 전해질의 이온 조건이 나노 채널의 전류-전압 응답을 결정했음. 그들은 연속적인 전압 스위프에 걸쳐 정류된 이온 전류 측정의 재현성으로 인한 나노 버블의 준 안정성을 확인하고 cryo-EM을 사용하여 나노 피펫 내부의 나노 버블 점유를 확인했음. 팀은 다양한 나노 버블 구성에 대해 준비된 여러 전자 측정을 분석하여 크기가 나노 유체 수송에 어떤 영향을 미치는지 이해했음. 나노 버블의 크기에 따른 변화는 나노 피펫의 유체 반응을 제어하고 나노 유체 수송 동작을 수정할 수 있음. 연구팀은 제한된 기포에 대해 감소된 수산화물 조건(pH 2)이 음전하를 발생시키는 반면, 증가된 수산화물 조건(pH 12)은 전하 밀도를 증가시키는 나노 버블의 pH 의존성을 조사했음. 나노 버블에 의한 전류 향상이 이온 농도 농축에 의한 비선형 전기 삼투 흐름에 기여한 것임. 예를 들어, 140mM 염화칼륨(KCl) 전해질이 있는 상태에서 고유 한 나노 피펫 정류(교류-직류 전력 변환)를 통해 나노 버블을 전도도 향상의 원천으로 입증할 수 있었음. 추가 희석으로 5mM KCl의 나노 버블은 훨씬 더 강력한 전도도 향상 및 정류를 생성했음. 연구팀은 나노 버블 전도도 향상의 농도 의존성을 비교하여 나노 포어를 통한 표면 전하 제어 전송에서 관찰된 것과 비교하여 표면 대 벌크 전도도 비율을 관찰했음.

본 연구 성과는 ‘Science Advances’ (“Nanobubble-controlled nanofluidic transport”) 지에 게재됨