纳米流体学研究新进展: 数字化纳米流体的二维操纵

纳流操纵的示意图(a);将多个离散的水滴排列成3×3的阵列(b,c);将两个小水滴融合成一个大水滴(d,e);从大水滴分离出一个小水滴(e,f)。

中国科学院物理研究所张广宇研究员领导的团队在纳米流体学研究中取得新进展。研究工作发表在近期出版的ACS Nano (DOI: 10.1021/nn500873q)上。

纳米流体学(nanofluidics)是操纵和控制纳米尺度液体以及研究其基本现象的学科,是纳米研究领域一个重要分支。与微米流体学(microfluidics)相比,纳米流体学研究对象涉及的尺度更小,表面/界面行为更复杂,对其进行操控更具挑战性。近年来国际上发展了多种多样的技术来实现纳米尺度液体的获得和操控。例如,将液体限制在微纳加工形成的纳米尺度通道内,进而通过控制液体在通道内的流动实现纳米流体学操控;也可以通过把液滴分散到不互溶的另外一种液体中形成悬浮乳液,或把液滴限制在自组装形成的聚合物小球的纳米空腔中,进而利用光学或其他手段对这些悬浮液滴进行一对一操控。这些方案各有优缺点,针对不同的应用靶向可以进行优化选择。

液体的小型化是纳米微流操纵的核心问题,然而随着器件和其中液体的尺寸减小到纳米量级的时候,原本并不占主导地位的界面的黏滞力和液体的表面张力使得进一步缩小液滴的尺寸面临非常严峻的挑战。通过纳米通道、纳米孔或者自组装功能的纳米空腔产生或操作的液体的极限体积在10-12到10-18升之间,这些将液体束缚在准一维的体系中的方法通常也难以进行精确地控制。

精确操控纳米尺度液滴的一个潜在的解决方案可以借鉴最近几十年间发展的扫描探针操控技术。这种技术已经在表面上的单原子、单分子、或单个纳米团簇的操控上取得了巨大的成功。然而,这种技术一般不适合用来操控纳米液滴。一方面,纳米尺度液滴,在固体表面上的获得就存在技术上的问题。例如,纳米尺度的水滴在固体表面上通常是不稳定的,很快会蒸发。为了得到稳定的纳米水滴,必须采取降温或增加环境湿度等办法。另一方面,和原子、分子、以及固态的纳米团簇不同,纳米液滴是软物质,也与扫描探针的相互作用较强。这两方面的因素都会导致体系的复杂性和操作的难度。

最近中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)张广宇研究组发展了一种结合原子力探针操控的云母/水/石墨烯“三明治”纳流体系,并与北大量子材料科学中心的徐莉梅副教授等人在理论计算方面展开合作,研究了此体系的表面、界面现象。此研究关注的对象是如何稳定地获得和操控固体表面上的纳米水液。水是地球上最丰富的原料,也是生物体的重要组成部分。在这个体系中,云母表面吸附的水会形成一个单层的二维冰结构和分散的纳米液滴。石墨烯则覆盖在二维冰和水滴之上,一方面起到保护作用,使此体系稳定存在;另一方面又足够柔软,原子力探针可以在不接触水滴或类冰薄膜的情况下还原其表面形貌,并且对在类冰薄膜上的水滴进行精确地力学操纵。

利用原子力显微镜的纳米操纵技术,这个研究团队实现了对这些纳米级水滴的四个基本操作:移动、合并、分离和排列(如图所示)。值得一提的是,此体系将纳流操纵的自由度从一维拓展到了二维,水滴可以在类冰结构和石墨烯之间的二维“通道”中自由移动,并且操纵的过程是针对单个水滴的行为,而非流体或者水滴集体的行为,即实现了“数字化”操纵。另外一个令人兴奋的结果是,基于这种“三明治”体系的纳流操纵可以实现操纵的最小的水滴的体积约为1.2×10-24升,比以前其他方法达到的数值提高了至少5个数量级。这种“三明治”体系的纳流系统是研究纳米尺度的水的物理和化学行为的良好载体,也为研究更小尺度化学反应过程、生物芯片等提供了简单有效的平台。

此研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委相关项目的支持。

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