Nanofluidics
नैनोफ्लुइडिक्स उन तरल पदार्थों के व्यवहार, हेरफेर और नियंत्रण का अध्ययन है जो नैनोमीटर (आमतौर पर 1-100 nm) विशेषता आयामों (1 nm = 10−9 m) की संरचनाओं तक सीमित हैं। इन संरचनाओं में सीमित तरल पदार्थ भौतिक व्यवहार प्रदर्शित करते हैं जो बड़ी संरचनाओं में नहीं देखे जाते हैं, जैसे कि माइक्रोमीटर आयाम और उससे ऊपर के, क्योंकि तरल पदार्थ की विशेषता भौतिक स्केलिंग लंबाई, (जैसे। डेबी लंबाई, हाइड्रोडायनामिक त्रिज्या) नैनोस्ट्रक्चर के आयामों के साथ बहुत निकटता से मेल खाती है। जब संरचनाएँ आणविक स्केलिंग लंबाई के अनुरूप आकार व्यवस्था तक पहुँचती हैं, तो द्रव के व्यवहार पर नई भौतिक बाधाएँ रखी जाती हैं। उदाहरण के लिए, ये भौतिक बाधाएं तरल पदार्थ के क्षेत्रों को नए गुणों को प्रदर्शित करने के लिए प्रेरित करती हैं जो थोक में नहीं देखे गए हैं, जैसे। छिद्र दीवार के पास चिपचिपाहट में काफी वृद्धि हुई; वे ऊष्मागतिकीय गुणों में परिवर्तन को प्रभावित कर सकते हैं और द्रव-ठोस इंटरफेस पर प्रजातियों की रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता को भी बदल सकते हैं। एक विशेष रूप से प्रासंगिक और उपयोगी उदाहरण नैनोपोर्स में सीमित इलेक्ट्रोलाइट समाधान द्वारा प्रदर्शित किया जाता है जिसमें सतह आवेश होते हैं, अर्थात। विद्युतीकृत इंटरफेस पर, जैसा कि नैनोकेपिलरी सरणी झिल्ली (एन. सी. ए. एम.) में दिखाया गया है। सभी विद्युतीकृत इंटरफेस सतह के पास एक संगठित आवेश वितरण को प्रेरित करते हैं जिसे विद्युत दोहरी परत के रूप में जाना जाता है। नैनोमीटर आयामों के छिद्रों में विद्युत दोहरी परत पूरी तरह से नैनोपोर की चौड़ाई तक फैल सकती है, जिसके परिणामस्वरूप द्रव की संरचना और संरचना में द्रव गति के संबंधित गुणों में नाटकीय परिवर्तन होते हैं। उदाहरण के लिए, छिद्र की सतह-से-आयतन अनुपात में भारी वृद्धि के परिणामस्वरूप काउंटर-आयनों की प्रधानता होती है (अर्थात। स्थिर दीवार आवेशों के विपरीत आवेशित आयन सह-आयनों (दीवार आवेशों के समान संकेत रखने वाले) पर, कई मामलों में सह-आयनों के लगभग पूर्ण बहिष्कार के लिए, जैसे कि छिद्र में केवल एक आयनिक प्रजाति मौजूद होती है। इसका उपयोग छिद्र की लंबाई के साथ चयनात्मक ध्रुवीयता वाली प्रजातियों के हेरफेर के लिए किया जा सकता है ताकि असामान्य तरल हेरफेर योजनाओं को प्राप्त किया जा सके जो माइक्रोमीटर और बड़ी संरचनाओं में संभव नहीं है। 1965 में, राइस और व्हाइटहेड ने लंबी (आदर्श रूप से अनंत) नैनोमीटर-व्यास केशिकाओं में इलेक्ट्रोलाइट समाधानों के परिवहन के सिद्धांत में मौलिक योगदान प्रकाशित किया। संक्षेप में, विभव, φ, एक रेडियल दूरी पर, r, पॉइसन-बोल्ट्जमैन समीकरण द्वारा दिया जाता है, जहाँ κ व्युत्क्रम डेबी लंबाई है, जो आयन संख्या घनत्व, n, परावैद्युत स्थिरांक, ε, बोल्ट्जमैन स्थिरांक, k और तापमान, T द्वारा निर्धारित की जाती है। संयुक्त दबाव और विद्युत संचालित प्रवाह के तहत गति का एक समीकरण तब लिखा जा सकता है, जहां η चिपचिपाहट है, dp/dz दबाव प्रवणता है, और Fz दोहरे परत में शुद्ध आवेश घनत्व पर लागू विद्युत क्षेत्र, Ez की क्रिया द्वारा संचालित शरीर बल है। जब कोई लागू दबाव नहीं होता है, तो वेग का रेडियल वितरण इस प्रकार दिया जाता है, उपरोक्त समीकरण से, यह इस प्रकार है कि नैनोकैपिलरी में द्रव प्रवाह κa उत्पाद, यानी डेबी लंबाई और छिद्र त्रिज्या के सापेक्ष आकार द्वारा नियंत्रित होता है। इन दो मापदंडों और नैनोपोर्स के सतह आवेश घनत्व को समायोजित करके, तरल प्रवाह को वांछित रूप से हेरफेर किया जा सकता है। इस तथ्य के बावजूद कि नैनोफ्लुइडिक्स सामान्य बड़े पैमाने पर द्रव यांत्रिकी की तुलना में पूरी तरह से नई घटनाओं को जन्म देता है, समस्थानिक नैनोफ्लुइडिक प्रणालियों में संवेग परिवहन को नियंत्रित करने वाला एक मौलिक निरंतरता सिद्धांत विकसित करना संभव है। यह सिद्धांत, जो शास्त्रीय नेवियर-स्टोक्स समीकरण का विस्तार करता है, नैनोमीटर की लंबाई पर प्रणालियों के कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ उत्कृष्ट सहमति दिखाता है। फैब्रिकेशन नैनोस्ट्रक्चर को सिलिकॉन, ग्लास, पॉलिमर जैसी सामग्रियों से एकल बेलनाकार चैनल, नैनोस्लिट्स या नैनो चैनल सरणी के रूप में बनाया जा सकता है। पी. एम. एम. ए., पी. डी. एम. एस., पी. सी. टी. ई.) और सिंथेटिक पुटिकाएँ। मानक फोटोलिथोग्राफी, थोक या सतह माइक्रो मशीनिंग, प्रतिकृति तकनीक (एम्बॉसिंग, प्रिंटिंग, कास्टिंग और इंजेक्शन मोल्डिंग), और न्यूक्लियर ट्रैक या रासायनिक इचिंग का उपयोग आमतौर पर संरचनाओं को बनाने के लिए किया जाता है जो विशिष्ट नैनोफ्लुइडिक व्यवहार प्रदर्शित करते हैं। अनुप्रयोग तरल नलिकाओं के छोटे आकार के कारण, नैनोफ्लूइडिक संरचनाओं को स्वाभाविक रूप से उन स्थितियों में लागू किया जाता है जिनमें नमूनों को बहुत कम मात्रा में नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है, जिसमें कुल्टर की गिनती, विश्लेषणात्मक पृथक्करण और प्रोटीन और डीएनए जैसे जैव अणुओं का निर्धारण और द्रव्यमान-सीमित नमूनों का आसान संचालन शामिल है। नैनोफ्लुइडिक्स के अधिक आशाजनक क्षेत्रों में से एक माइक्रोफ्लुइडिक प्रणालियों में एकीकरण की इसकी क्षमता है, अर्थात। सूक्ष्म-कुल विश्लेषणात्मक प्रणालियाँ या लैब-ऑन-ए-चिप संरचनाएँ। उदाहरण के लिए, एन. सी. ए. एम., जब माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों में शामिल किए जाते हैं, तो वे पुनः उत्पन्न रूप से डिजिटल स्विचिंग कर सकते हैं, जिससे एक माइक्रोफ्लुइडिक चैनल से दूसरे में तरल पदार्थ का हस्तांतरण हो सकता है, चयनात्मकता अलग हो सकती है और आकार और द्रव्यमान के आधार पर विश्लेषकों को स्थानांतरित किया जा सकता है, अभिकारकों को कुशलता से मिलाया जा सकता है, और भिन्न विशेषताओं वाले तरल पदार्थों को अलग किया जा सकता है। इसके अलावा, नैनोफ्लुइडिक संरचनाओं की द्रव संभालने की क्षमताओं और इलेक्ट्रॉनों और छेदों के प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक घटकों की क्षमता के बीच एक प्राकृतिक सादृश्य है। इस सादृश्य का उपयोग सक्रिय इलेक्ट्रॉनिक कार्यों जैसे कि सुधार और क्षेत्र-प्रभाव और आयनिक धाराओं के साथ द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर कार्रवाई को महसूस करने के लिए किया गया है। नैनोफ्लुइडिक्स का उपयोग नैनो-ऑप्टिक्स के लिए भी है ताकि ट्यूनेबल माइक्रोलेंस सरणी का उत्पादन किया जा सके नैनोफ्लुइडिक्स का जैव प्रौद्योगिकी, चिकित्सा और नैदानिक निदान में पीसीआर और संबंधित तकनीकों के लिए लैब-ऑन-ए-चिप उपकरणों के विकास के साथ महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ा है। कम्प्यूटेशनल द्रव गतिकी का उपयोग करके रेनॉल्ड्स और नुडसन संख्या के एक कार्य के रूप में द्रव बलों के संदर्भ में नैनोकणों के आसपास प्रवाह क्षेत्रों के व्यवहार को समझने के प्रयास किए गए हैं। लिफ्ट, ड्रैग और रेनॉल्ड्स संख्या के बीच संबंध मैक्रोस्केल द्रव गतिकी की तुलना में नैनोस्केल पर नाटकीय रूप से भिन्न दिखाया गया है। चुनौती कार्बन नैनोट्यूब और नैनोपाइप के माध्यम से तरल पदार्थों के प्रवाह से जुड़ी कई तरह की समस्याएं हैं। तरल में बड़े मैक्रोमोलेक्यूल्स के कारण चैनल ब्लॉकिंग एक आम घटना है। इसके अलावा, तरल में कोई भी अघुलनशील मलबा आसानी से नली को बंद कर सकता है। इन शोधकर्ताओं के लिए एक समाधान कम घर्षण कोटिंग या चैनल सामग्री है जो ट्यूबों के अवरुद्ध होने को कम करने में मदद करती है। इसके अलावा, डी. एन. ए. जैसे जैविक रूप से प्रासंगिक अणुओं सहित बड़े पॉलिमर अक्सर विवो में मुड़ जाते हैं, जिससे अवरोध पैदा होते हैं। वायरस के विशिष्ट डी. एन. ए. अणुओं की लंबाई लगभग होती है। 100-200 किलोबेस और 20 प्रतिशत पर जलीय घोल में लगभग 700 एनएम त्रिज्या का एक यादृच्छिक कुंडल बनाएगा। यह बड़े कार्बन पाइपों के छिद्र व्यास से भी कई गुना अधिक है और एक एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब के व्यास के दो क्रम हैं। नैनोमैकेनिक्स नैनोटेक्नोलॉजी माइक्रोफ्लुइडिक्स नैनोफ्लुइडिक सर्किटरी संदर्भ नैनोटेक्नोलॉजी द्रव गतिकी विश्लेषणात्मक रसायन विज्ञान सतह विज्ञान सामग्री विज्ञान भी देखें।