Нанофлюидные устройства предложили вырезать из графеновой бумаги обычными ножницами

Ученые предложили создавать нанофлюидные устройства, просто вырезая элементы нужной формы ножницами из бумаги, покрытой оксидом графена. Такой подход авторы работы назвали «нанофлюидным киригами» и смогли получить с помощью него ионные нанофлюидные диоды и даже простейшие логические цепочки, сообщается в Materials Chemistry Frontiers.

Несмотря на то, что микро- и нанофлюидика — две очень близкие друг к другу области, между ними существует и довольно много различий. Состоят они, например, в методах получения устройств: для получения одиночных микроканалов обычно используют литографию, чтобы канал был точно заданной геометрии, в то время как в нанофлюидных устройствах обычно используют мембраны, содержащие большое количество наноканалов. Микрофлюидные устройства обычно применяют для переноса микронных частиц с помощью управления жидкими потоками, нанофлюидика же в первую очередь используется для транспорта отдельных молекул или ионов под действием электрического поля. При этом эффективность нанофлюидных устройств определяется прежде всего свойствами наноканалов: их формой, толщиной и свойствами поверхности. Поэтому чтобы понизить стоимость нанофлюидных устройств и увеличить их эффективность, ученые ищут как можно более простые способы для управления именно этими параметрами.

Исследователи из США, Индии и Швеции под руководством Цзясина Хуана (Jiaxing Huang) из Северо-западного университета предложили использовать в качестве материала, содержащего наноканалы, пленку из многослойного окисда графена, нанесенную на поверхность бумаги. Такую пленку можно получить из графита: с помощью эксфолиации (то есть «отшелушивания») от него отделяются отдельные слои оксида графена, которые затем собираются в многослойные стопки на бумажной подложке. В отличие от изначального графита, между слоями оксида графена образуются двумерные каналы нанометровой толщины, через которые может проникать вода и содержащиеся в ней ионы.

Толщина двумерных наноканалов в такой пленке составляет от 0,5 до 1,1 нанометра, а вырезать макроскопические элементы нужной формы из такой «графеновой бумаги» можно просто с использованием ножниц. Полученный нанофлюидный элемент закрепляется в форме из полидиметилсилоксана и соединяется с двух сторон с резервуарами, содержащими водный раствор соли. С помощью серебряных электродов в такой системе создается электрическое напряжение.

Предложенную методику ученые отработали на получении нанофлюидных ионных выпрямителей. Получать такие устройства с помощью описанного авторами подхода оказалось значительно проще, чем традиционными способами. Если обычно для нанофлюидного выпрямителя применяют мембраны с коническими нанопорами, то в данном случае ученые предложили использовать плоские наноканалы, ширина которых сужается от одного конца к другому. Параметры ионного транспорта в таких каналов определяются их нанометровой толщиной (которая жестко зафиксирована и точно известна), а концентрация ионов в каждом сечении — макроскопической шириной этих каналов.

За счет чередования областей разной ширины с избыточной и недостаточной концентрацией ионов, такую графеновую мембрану можно использовать в качестве диода с несимметричной вольт-амперной характеристикой. И за счет того, что сила ионного тока зависит от направления, из такого нанофлюидного элемента можно сделать ионный выпрямитель тока.

В своей работе ученые протестировали несколько различных форм асимметричных элементов из пленок оксида графена, каждый из которых был просто вырезан ножницами, и даже смогли собрать простейшее нанофлюидное логическое устройство, объединив в цепь несколько ионных резервуаров и три нанофлюидных выпрямителя.

Авторы работы называют свой подход «нанофлюидным киригами» по аналогии с методикой вырезания фигурок из листа бумаги. Основное преимущество метода, по словам авторов, состоит в его простоте. В будущем с использованием подобного подхода ученые предполагают получить нанофлюидные устройства для разделения и фильтрации ионов различного типа и создания систем обработки информации.

Отметим, что похожие системы из оксида графена, содержащие нанопоры и наноканалы, ученые предлагают использовать, например, для фильтрования воды и некоторых органических растворителей. С помощью таких мембран химикам удается фильтровать и смеси различных растворителей, и даже обесцвечивать алкогольные напитки, например коньяк или виски.

Александр Дубов