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