Nanofluidics
નેનોફ્લુઇડિક્સ એ પ્રવાહીના વર્તન, હેરફેર અને નિયંત્રણનો અભ્યાસ છે જે નેનોમીટર (સામાન્ય રીતે 1-100 nm) લાક્ષણિક પરિમાણો (1 nm = 10−9 m) ની રચનાઓ સુધી મર્યાદિત હોય છે. આ માળખામાં મર્યાદિત પ્રવાહી ભૌતિક વર્તણૂકો દર્શાવે છે જે મોટા માળખામાં જોવા મળતા નથી, જેમ કે માઇક્રોમીટર પરિમાણો અને તેનાથી ઉપરના, કારણ કે પ્રવાહીની લાક્ષણિક ભૌતિક સ્કેલિંગ લંબાઈ, (દા. ત. ડેબી લંબાઈ, હાઇડ્રોડાયનેમિક ત્રિજ્યા) નેનોસ્ટ્રક્ચરના પરિમાણો સાથે ખૂબ નજીકથી મેળ ખાય છે. જ્યારે માળખાં મોલેક્યુલર સ્કેલિંગ લંબાઈને અનુરૂપ કદના શાસન સુધી પહોંચે છે, ત્યારે પ્રવાહીના વર્તન પર નવી ભૌતિક મર્યાદાઓ મૂકવામાં આવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, આ ભૌતિક અવરોધો પ્રવાહીના પ્રદેશોને નવા ગુણધર્મો પ્રદર્શિત કરવા માટે પ્રેરિત કરે છે જે જથ્થાબંધમાં જોવા મળતા નથી, દા. ત. છિદ્રોની દિવાલની નજીકની સ્નિગ્ધતામાં ઘણો વધારો થયો છે; તેઓ થર્મોડાયનેમિક ગુણધર્મોમાં ફેરફારોને અસર કરી શકે છે અને પ્રવાહી-ઘન ઇન્ટરફેસ પર પ્રજાતિઓની રાસાયણિક પ્રતિક્રિયામાં પણ ફેરફાર કરી શકે છે. એક ખાસ કરીને સુસંગત અને ઉપયોગી ઉદાહરણ નેનોપોર્સમાં મર્યાદિત ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સોલ્યુશન્સ દ્વારા પ્રદર્શિત થાય છે જેમાં સપાટીના ચાર્જ હોય છે, એટલે કે. ઇલેક્ટ્રિફાઇડ ઇન્ટરફેસો પર, જેમ કે તેની સાથેની આકૃતિમાં નેનોકેપિલરી એરે મેમ્બ્રેન (એનસીએએમ) માં બતાવ્યા પ્રમાણે. તમામ ઇલેક્ટ્રિફાઇડ ઇન્ટરફેસો વિદ્યુત ડબલ સ્તર તરીકે ઓળખાતી સપાટીની નજીક સંગઠિત ચાર્જ વિતરણને પ્રેરિત કરે છે. નેનોમીટર પરિમાણોના છિદ્રોમાં વિદ્યુતનું બેવડું સ્તર સંપૂર્ણપણે નેનોપોરની પહોળાઈ સુધી ફેલાઈ શકે છે, જેના પરિણામે પ્રવાહીની રચનામાં નાટકીય ફેરફારો થાય છે અને માળખામાં પ્રવાહી ગતિના સંબંધિત ગુણધર્મો જોવા મળે છે. ઉદાહરણ તરીકે, છિદ્રોના સપાટી-થી-વોલ્યુમ ગુણોત્તરમાં ભારે વધારો થવાથી કાઉન્ટર-આયનોની પ્રાધાન્યતા પરિણમે છે (એટલે કે. ઘણા કિસ્સાઓમાં સહ-આયનોને લગભગ સંપૂર્ણ રીતે બાકાત રાખવામાં આવે છે, જેમ કે છિદ્રોમાં માત્ર એક જ આયનીય પ્રજાતિ અસ્તિત્વમાં હોય છે, જે સહ-આયનો (દિવાલના ચાર્જની જેમ જ નિશાની ધરાવતા) પર સ્થિર દિવાલના ચાર્જની વિરુદ્ધ ચાર્જ કરેલા આયનો છે. માઇક્રોમીટર અને મોટા માળખામાં શક્ય ન હોય તેવી અસામાન્ય પ્રવાહી હેરફેર યોજનાઓ હાંસલ કરવા માટે છિદ્રની લંબાઈ સાથે પસંદગીયુક્ત ધ્રુવીયતા ધરાવતી પ્રજાતિઓના હેરફેર માટે આનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. 1965માં, રાઇસ અને વ્હાઇટહેડે લાંબા (આદર્શ રીતે અનંત) નેનોમીટર-વ્યાસના રુધિરકેશિકાઓમાં ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સોલ્યુશન્સના પરિવહનના સિદ્ધાંતમાં નિર્ણાયક યોગદાન પ્રકાશિત કર્યું. ટૂંકમાં, પોટેન્શિયલ, φ, રેડિયલ અંતર પર, r, પોઈસન-બોલ્ટ્ઝમેન સમીકરણ દ્વારા આપવામાં આવે છે, જ્યાં κ એ ઊલટું ડેબી લંબાઈ છે, જે આયન સંખ્યા ઘનતા, n, ડાઇલેક્ટ્રિક અચળાંક, ε, બોલ્ટ્ઝમેન અચળાંક, k અને તાપમાન, T દ્વારા નક્કી થાય છે. સંયુક્ત દબાણ અને વિદ્યુત સંચાલિત પ્રવાહ હેઠળ ગતિનું સમીકરણ પછી લખી શકાય છે, જ્યાં η એ સ્નિગ્ધતા છે, dp/dz એ દબાણનો ઢાળ છે, અને Fz એ લાગુ કરેલા વિદ્યુત ક્ષેત્રની ક્રિયા દ્વારા સંચાલિત શારીરિક બળ છે, Ez, ડબલ સ્તરમાં ચોખ્ખા ચાર્જ ઘનતા પર. જ્યારે કોઈ લાગુ દબાણ ન હોય ત્યારે, વેગનું રેડિયલ વિતરણ આના દ્વારા આપવામાં આવે છે, ઉપરના સમીકરણમાંથી, તે અનુસરે છે કે નેનોકેપિલરીઝમાં પ્રવાહીનો પ્રવાહ κa ઉત્પાદન દ્વારા સંચાલિત થાય છે, એટલે કે, ડેબી લંબાઈ અને છિદ્ર ત્રિજ્યાના સંબંધિત કદ. આ બે પરિમાણો અને નેનોપોર્સની સપાટી ચાર્જ ઘનતાને સમાયોજિત કરીને, પ્રવાહીના પ્રવાહને ઇચ્છિત રીતે હેરફેર કરી શકાય છે. સામાન્ય મોટા પાયે પ્રવાહી મિકેનિક્સની તુલનામાં નેનોફ્લુઇડિક્સ સંપૂર્ણપણે નવી ઘટનાઓને જન્મ આપે છે તે હકીકત હોવા છતાં, આઇસોટ્રોપિક નેનોફ્લુઇડિક પ્રણાલીઓમાં વેગ પરિવહનને સંચાલિત કરતી મૂળભૂત સાતત્ય સિદ્ધાંત વિકસાવવી શક્ય છે. આ સિદ્ધાંત, જે શાસ્ત્રીય નેવિયર-સ્ટોક્સ સમીકરણને વિસ્તરે છે, તે નેનોમીટરની લંબાઈ પર સિસ્ટમોના કમ્પ્યુટર સિમ્યુલેશન સાથે ઉત્તમ સમજૂતી દર્શાવે છે. ફેબ્રિકેશન નેનોસ્ટ્રક્ચર્સને સિલિકોન, કાચ, પોલિમર (દા. ત. નેનોસ્ટ્રક્ચર્સ) જેવી સામગ્રીમાંથી એક નળાકાર ચેનલો, નેનોસ્લિટ્સ અથવા નેનોચેનલ એરે તરીકે બનાવી શકાય છે. પી. એમ. એમ. એ., પી. ડી. એમ. એસ., પી. સી. ટી. ઈ.) અને કૃત્રિમ ફોલ્લાઓ. પ્રમાણભૂત ફોટોલિથોગ્રાફી, બલ્ક અથવા સરફેસ માઇક્રો મશીનિંગ, પ્રતિકૃતિ તકનીકો (એમ્બોસિંગ, પ્રિન્ટિંગ, કાસ્ટિંગ અને ઈન્જેક્શન મોલ્ડિંગ), અને ન્યુક્લિયર ટ્રેક અથવા રાસાયણિક કોતરણીનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે એવી રચનાઓ બનાવવા માટે થાય છે જે લાક્ષણિક નેનોફ્લુઇડિક વર્તણૂક દર્શાવે છે. પ્રવાહી નળીઓના નાના કદને કારણે, નેનોફ્લુઇડિક માળખાઓ કુદરતી રીતે પરિસ્થિતિઓમાં લાગુ કરવામાં આવે છે, જેમાં નમૂનાઓને ખૂબ જ ઓછી માત્રામાં નિયંત્રિત કરવાની માંગ કરવામાં આવે છે, જેમાં કુલ્ટરની ગણતરી, વિશ્લેષણાત્મક વિભાજન અને પ્રોટીન અને ડીએનએ જેવા બાયોમોલેક્યુલ્સના નિર્ધારણ અને સમૂહ-મર્યાદિત નમૂનાઓનું સરળ સંચાલન સામેલ છે. નેનોફ્લુઇડિક્સના વધુ આશાસ્પદ ક્ષેત્રોમાંનું એક માઇક્રોફ્લુઇડિક પ્રણાલીઓમાં એકીકરણની ક્ષમતા છે, એટલે કે. માઇક્રોટોટલ વિશ્લેષણાત્મક પ્રણાલીઓ અથવા લેબ-ઓન-એ-ચિપ માળખાં. દાખલા તરીકે, એન. સી. એ. એમ., જ્યારે માઇક્રોફ્લુઇડિક ઉપકરણોમાં સમાવિષ્ટ થાય છે, ત્યારે તે પુનઃઉત્પાદનક્ષમ રીતે ડિજિટલ સ્વિચિંગ કરી શકે છે, જે એક માઇક્રોફ્લુઇડિક ચેનલમાંથી બીજામાં પ્રવાહીના સ્થાનાંતરણને મંજૂરી આપે છે, પસંદગીને અલગ કરે છે અને કદ અને સમૂહ દ્વારા વિશ્લેષણને સ્થાનાંતરિત કરે છે, પ્રતિક્રિયાશીલ પદાર્થોને અસરકારક રીતે મિશ્રિત કરે છે અને અલગ લાક્ષણિકતાઓ સાથે પ્રવાહીને અલગ કરે છે. વધુમાં, નેનોફ્લુઇડિક માળખાઓની પ્રવાહી સંભાળવાની ક્ષમતાઓ અને ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રોના પ્રવાહને નિયંત્રિત કરવા માટે ઇલેક્ટ્રોનિક ઘટકોની ક્ષમતા વચ્ચે એક કુદરતી સામ્યતા છે. આ સામ્યતાનો ઉપયોગ સક્રિય ઇલેક્ટ્રોનિક કાર્યો જેમ કે સુધારણા અને ક્ષેત્ર-અસર અને આયનીય પ્રવાહો સાથે દ્વિધ્રુવી ટ્રાન્ઝિસ્ટર ક્રિયાને સાકાર કરવા માટે કરવામાં આવે છે. નેનોફ્લુઇડિક્સનો ઉપયોગ ટ્યુન કરી શકાય તેવા માઇક્રોલેન્સ એરેના ઉત્પાદન માટે નેનો-ઓપ્ટિક્સમાં પણ થાય છે, નેનોફ્લુઇડિક્સે પી. સી. આર. અને સંબંધિત તકનીકો માટે લેબ-ઓન-એ-ચિપ ઉપકરણોના વિકાસ સાથે બાયોટેકનોલોજી, દવા અને ક્લિનિકલ ડાયગ્નોસ્ટિક્સમાં નોંધપાત્ર અસર કરી છે. કોમ્પ્યુટેશનલ પ્રવાહી ગતિશીલતાનો ઉપયોગ કરીને રેનોલ્ડ્સ અને નુડસેન નંબરના કાર્ય તરીકે પ્રવાહી બળોના સંદર્ભમાં નેનોપાર્ટિકલ્સની આસપાસના પ્રવાહક્ષેત્રોની વર્તણૂકને સમજવાના પ્રયાસો કરવામાં આવ્યા છે. લિફ્ટ, ડ્રેગ અને રેનોલ્ડ્સ નંબર વચ્ચેનો સંબંધ મેક્રોસ્કેલ પ્રવાહી ગતિશીલતાની તુલનામાં નેનોસ્કેલ પર નાટ્યાત્મક રીતે અલગ હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું છે. પડકારો કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ અને નેનોપાઇપ્સ દ્વારા પ્રવાહીના પ્રવાહ સાથે સંકળાયેલા વિવિધ પડકારો છે. પ્રવાહીમાં મોટા મેક્રોમોલેક્યુલ્સને કારણે ચેનલ બ્લોક થવી એ એક સામાન્ય ઘટના છે. ઉપરાંત, પ્રવાહીમાં કોઈપણ અદ્રાવ્ય કચરો સરળતાથી ટ્યુબને બંધ કરી શકે છે. આ સંશોધકો માટે એક ઉકેલ શોધવાની આશા છે તે ઓછી ઘર્ષણ કોટિંગ અથવા ચેનલ સામગ્રી છે જે નળીઓના અવરોધને ઘટાડવામાં મદદ કરે છે. ઉપરાંત, ડીએનએ જેવા જૈવિક રીતે સંબંધિત અણુઓ સહિત મોટા પોલિમર ઘણીવાર વિવોમાં ફોલ્ડ થાય છે, જેના કારણે અવરોધો થાય છે. વાયરસના લાક્ષણિક ડીએનએ અણુઓની લંબાઈ આશરે હોય છે. 100-200 કિલોબેઝ અને 20 ટકા પર જલીય દ્રાવણમાં આશરે 700 એનએમ ત્રિજ્યાની રેન્ડમ કોઇલ બનાવશે. આ મોટી કાર્બન પાઇપના છિદ્રોના વ્યાસ કરતાં પણ ઘણી ગણી વધારે છે અને એક દિવાલવાળા કાર્બન નેનોટ્યુબના વ્યાસ જેટલા તીવ્રતાના બે ક્રમ છે. નેનોમિકેનિક્સ નેનોટેકનોલોજી માઇક્રોફ્લુઇડિક્સ નેનોફ્લુઇડિક સર્કિટરી સંદર્ભો નેનોટેકનોલોજી પ્રવાહી ગતિશીલતા વિશ્લેષણાત્મક રસાયણશાસ્ત્ર સપાટી વિજ્ઞાન સામગ્રી વિજ્ઞાન જા જુઓઃ