ナノ流体工学

ナノ流体工学は、ナノメートル（通常 1～100 nm）の特性寸法（1 nm = 10 ^{−9 m）の構造に閉じ込められた}流体の挙動、操作、制御を研究する分野です。これらの構造に閉じ込められた流体は、流体の特性物理的スケーリング長さ（デバイ長、流体力学的半径など）がナノ構造自体の寸法と非常によく一致するため、マイクロメートル寸法以上の構造など、より大きな構造では観察されない物理的挙動を示します。

構造が分子のスケーリング長に対応するサイズ領域に近づくと、流体の挙動に新しい物理的制約が課せられます。たとえば、これらの物理的制約により、流体の領域がバルクでは観察されない新しい特性 (細孔壁付近の粘度の大幅な増加など)を示すようになります。また、熱力学的特性の変化を引き起こしたり、流体と固体の界面における化学種の化学反応性を変えたりする可能性があります。特に関連性が高く有用な例として、添付の図のナノキャピラリーアレイ膜 (NCAM) に示されているように、表面電荷を含むナノ細孔(つまり帯電した界面)に閉じ込められた電解質溶液が挙げられます。

すべての帯電界面は、電気二重層として知られる表面近くの整然とした電荷分布を誘発します。ナノメートル寸法の細孔では、電気二重層がナノ細孔の幅全体に広がることがあり、その結果、流体の組成と構造内の流体運動の関連特性が劇的に変化します。たとえば、細孔の表面積と体積の比が大幅に向上すると、共イオン（壁電荷と同じ符号を持つ）よりも対イオン（静的壁電荷と反対に帯電した イオン）が優勢になり、多くの場合、共イオンがほぼ完全に排除されるため、細孔には1つのイオン種のみが存在することになります。これを使用して、細孔の長さに沿って選択的な極性を持つ種を操作し、マイクロメートル以上の構造では不可能な珍しい流体操作スキームを実現できます。

1965年、ライスとホワイトヘッドは、長い（理想的には無限の）ナノメートル径毛細管における電解質溶液の輸送理論への画期的な貢献を発表しました。^[1] 簡単に言えば、半径距離rにおけるポテンシャルϕは、ポアソン-ボルツマン方程式で与えられます。

${\displaystyle {\frac {1}{r}}{\frac {d}{dr}}\left(r{\frac {d\phi }{dr}}\right)=\kappa ^{2}\ファイ、}$

ここでκはデバイ長の逆数であり、

${\displaystyle \kappa ={\sqrt {\frac {8\pi ne^{2}}{\epsilon kT}}},}$

は、イオン数密度n、誘電率ε 、ボルツマン定数k 、温度Tによって決まります。電位φ(r)がわかれば、電荷密度はポアソン方程式から得ることができます。この方程式の解は、第一種修正ベッセル関数I ₀として表され、毛細管半径aにスケール化されます。圧力と電気駆動流の組み合わせによる運動方程式は、次のように表すことができます。

${\displaystyle {\frac {1}{r}}{\frac {d}{dr}}\left(r{\frac {dv_{z}}{dr}}\right)={\frac {1} {\eta }}{\frac {dp}{dz}}-{\frac {F_{z}}{\eta }},}$

ここで、ηは粘性、dp/dzは圧力勾配、F _{z は}印加電場E _zの作用によって二重層の正味電荷密度に生じる体積力です。印加圧力がない場合、速度の半径方向分布は次のように表されます。

${\displaystyle v_{z}\left(r\right)={\frac {\epsilon \phi _{0}}{4\pi \eta }}E_{z}\left[1-{\frac {I_{0}\left(\kappa r\right)}{I_{0}\left(\kappa a\right)}}\right].}$

上記の式から、ナノキャピラリー内の流体の流れは、κa積、つまりデバイ長と細孔半径の相対的な大きさによって決まることがわかります。これら 2 つのパラメータとナノ細孔の表面電荷密度を調整することで、流体の流れを必要に応じて操作できます。

ナノ構造は、シリコン、ガラス、ポリマー（例： PMMA、PDMS、PCTE）、合成小胞などの材料から、単一の円筒形チャネル、ナノスリット、またはナノチャネルアレイとして製造できます。 ^[3] 標準的なフォトリソグラフィー、バルクまたは表面マイクロマシニング、複製技術（エンボス加工、印刷、鋳造、射出成形）、および核トラックまたは化学エッチング^{[4] [5] [6] [7] [8]} は、特徴的なナノ流体挙動を示す構造を製造するために一般的に使用されています。

ナノ流体構造は、流体導管のサイズが小さいため、コールター計数、^[9]、 タンパク質やDNAなどの生体分子の分析分離および測定、^{[2] [10]} 、質量制限のあるサンプルの容易な取り扱いなど、極めて少量のサンプルを扱うことが求められる状況で自然に適用されます。ナノ流体のより有望な領域の1つは、マイクロ流体システム、つまりマイクロトータル分析システムまたはラボオンチップ構造への統合の可能性です。たとえば、NCAMをマイクロ流体デバイスに組み込むと、デジタルスイッチングを再現可能にして、1つのマイクロ流体チャネルから別のチャネルに流体を転送したり、^{[11] [12]、} サイズと質量によって分析対象物を選択的に分離および転送したり、^{[11] [13] [14] [15] [ 16 ]、} 反応物を効率的に混合したり、^[17] 、異なる特性を持つ流体を分離したりできます。^{[11] [18]} さらに、ナノ流体構造の流体処理能力と電子部品の電子と正孔の流れを制御する能力との間には自然な類似性があります。この類似性は、整流^{[19] [20]} や電界効果^{[21] [22] [23]} 、バイポーラトランジスタ^{[24] [25]}などの能動的な電子機能の実現に使用されてきました 。ナノ流体の応用は、調整可能なマイクロレンズアレイを製造するためのナノ光学にも適用されています^{[26] [27]}

ナノ流体工学は、PCRや関連技術用のラボオンチップデバイスの開発により、バイオテクノロジー、医学、臨床診断に大きな影響を与えてきました。 ^{[28] [29]}計算流体力学を使用して、レイノルズ数とクヌーセン数の関数としての流体力の観点から、ナノ粒子の周りの流れ場の挙動を理解する試みがなされてきました。^{[30] [31] [32]} 揚力、抗力、レイノルズ数の関係は、ナノスケールではマクロスケールの流体力学と比較して劇的に異なることが示されている。

カーボンナノチューブやナノパイプを通る液体の流れには、さまざまな課題が伴います。よくあるのは、液体中の大きな高分子によるチャネル閉塞です。また、液体中の不溶性の破片がチューブを簡単に詰まらせる可能性があります。研究者らは、この解決策として、チューブの閉塞を軽減する低摩擦コーティングまたはチャネル材料を見つけたいと考えています。また、DNAなどの生物学的に重要な分子を含む大きなポリマーは、生体内で折りたたまれることが多く、閉塞を引き起こします。ウイルスの一般的なDNA分子の長さは約100～200キロベースで、20%の水溶液中で半径約700nmのランダムコイルを形成します。これは、大型カーボンパイプの細孔直径よりも数倍大きく、単層カーボンナノチューブの直径の2桁にもなります。

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