Effects of Ion Partitioning and Ion Steric on Electroosmotic Flow of Power-Law Fluids in Soft Nanochannels with Similar/Dissimilar Polyelectrolyte Layers

تخيل عالماً تتدفق فيه أصغر الأنهار ليس عبر الصخور أو التربة، بل عبر قنوات ضيقة للغاية لدرجة أن شعرة بشرية واحدة ستبدو كأخدود هائل. في هذا العالم المجهري، يدرس العلماء كيفية تحرك السوائل عندما تُدفع بواسطة الكهرباء بدلاً من الجاذبية أو المضخات. هذه الحركة، المعروفة باسم التدفق الكهروأسموزي (electroosmotic flow)، تحدث عندما يسحب مجال كهربائي الجسيمات المشحونة في السائل، مما يؤدي إلى سحب بقية السائل معها. غالباً ما تكون هذه القنوات الضيقة مبطنة بطبقة ناعمة تشبه الإسفنج من البوليمرات، والتي يمكنها حبس الشحنات الكهربائية وتغيير كيفية سلوك السائل. إن فهم هذا الرقص بين الكهرباء والسائل أمر بالغ الأهمية لبناء أجهزة مستقبلية مثل المستشعرات الطبية فائقة الحساسية أو مولدات الطاقة الصغيرة، لكن الفيزياء تصبح معقدة للغاية عندما يكون السائل نفسه سميكاً ولزجاً، مثل العسل أو الدم، بدلاً من أن يكون رقيقاً ومائياً مثل الماء.

قام فريق من الباحثين مؤخراً بمحاولة لرسم خريطة لهذا التضاريس المعقدة، مع التركيز على نوع معين من السوائل السميكة التي تتغير درجة لزوجتها اعتماداً على سرعة دفعها. أرادوا رؤية كيف سيتحرك هذا السائل عبر قناة نانوية كانت جدرانها مغطاة بطبقات بوليمر ناعمة ومشحونة. والأهم من ذلك، أنهم لم يعاملوا الأيونات الصغيرة الطافية في السائل كأنها مجرد نقاط عديمة الأبعاد؛ بل أخذوا في الاعتبار حقيقة أن لهذه الأيونات حجماً فيزيائياً حقيقياً، وأن الجدران الناعمة للقناة قد تجذب أو تنفرها بشكل مختلف عن السائل الموجود في المنتصف. ومن خلال بناء نموذج حاسوبي مفصل لهذا النظام، اكتشفوا أن حجم الأيونات، وسُمك الجدران الناعمة، و"مرونة" السائل، تعمل جميعها معاً لتحديد سرعة حركة السائل ونوع الأيونات التي يمكنها المرور.

قام الباحثون بنمذجة قناة يبلغ ارتفاعها 50 نانومتراً فقط، وهي مسافة صغيرة جداً لدرجة أنه يمكن وضع آلاف منها عبر عرض شعرة بشرية واحدة. كانت جدران هذه القناة مغطاة بطبقات بولريمر ذات سماكات متفاوتة، بعضها في الأسفل، وبعضها في الأعلى، وأحياناً في كليهما. حملت هذه الطبقات شحنة كهربائية ثابتة، مما خلق مجالاً كهربائياً قوياً داخل القناة. وعندما طبقوا مجالاً كهربائياً خارجياً على طول القناة، بدأ السائل في الحركة. ومع ذلك، اعتمدت سرعة واتجاه هذا التدفق بشكل كبير على طبيعة السائل. فقد اختبروا سوائل تسلك سلوك السوائل "المخففة بالقص" (shear-thinning)، والتي تصبح أقل لزوجة وتتدفق بسهولة أكبر عند دفعها بقوة، وكذلك السوائل التي تصبح أكثر سمكاً وتقاوم التدفق تحت الضغط. وأظهرت عمليات المحاكاة التي أجروها أن السوائل المخففة بالقص تحركت بسرعة أكبر بكثير من غيرها. يحدث هذا لأن السائل، مع زيادة سرعته بالقرب من الجدران، يصبح فعلياً أقل لزوجة، مما يوفر مقاومة أقل للسحب الكهربائي.

كان جزء رئيسي من تحقيقهم يتعلق بالحجم الفيزيائي للأيونات نفسها. في العديد من النماذج القديمة، افترض العلماء أن هذه الأيونات هي مجرد نقاط متناهية الصغر، لكن الباحثين وجدوا أن حجمها الفعلي يمثل أهمية قصوى. فعندما تكون الأيونات كبيرة، فإنها تكافح للانحشار في المساحات المزدحمة داخل طبقات البوليمر الناعمة، وهي ظاهرة تُعرف باسم "الإعاقة الفراغية" (steric hindrance). هذا التأثير المسبب للازدحام يغير البيئة الكهربائية داخل القناة. ووجد الفريق أن الأيونات الأصغر يمكنها التحرك بسرعة أكبر بكו من الأيونات الأكبر لأنها تواجه مقاومة فيزيائية أقل. علاوة على ذلك، فإن الطريقة التي تتوزع بها الأيونات بين طبقة الجدار الناعم والسائل في المنتصف تعتمد على خاصية تسمى "السماحية الكهربائية" (dielectric permittivity)، والتي تقيس أساساً مدى سماح المادة بمرور المجالات الكهربائية من خلالها. وعندما كانت مادة الجدار الناعم ذات سماحية أقل من السائل، فقد خلقت حاجز طاقة جعل من الصعب على الأيونات دخولها، مما أدى فعلياً إلى تصفيتها بناءً على حجمها وشحنتها.

كشفت الدراسة أيضاً كيف يؤثر ترتيب الجدران المشحونة على التدفق. فعندما يكون للجدران العلوية والسفلية نفس نوع الشحنة، يكون التدفق مباشراً نسبياً. ولكن عندما كانت الجدران ذات شحنات متضادة، أصبح الموقف أكثر تعقيداً. في هذه الإعدادات غير المتماثلة، تنافست القوى الكهربائية من الجدران العلوية والسفلية مع بعضها البعض، مما خلق نمط تدفق يتفاوت عبر عرض القناة. لاحظ الباحثون أن سمك طبقات البوليمر لعب دوراً حاسماً هنا؛ فالطبقات الأكثر سمكاً تحتوي على المزيد من الشحنات الثابتة، مما يقوي المجال الكهربائي ويزيد من سرعة التدفق، ولكن حتى حد معين. فإذا أصبحت الطبقات سميكة جداً أو إذا كانت الأيونات كبيرة جداً بحيث لا تستطيع اختراقها بفعالية، فإن التدفق سيتباطأ. كما وجدوا أن "نعومة" طبقة البولمر، أو مدى سهولة اختراق السائل لها، عملت بمثابة مكبح للتدفق؛ فالطبقات الأكثر نعومة وقابلية للاختراق سمحت بحركة أسرع، بينما أدت الطبقات الأكثر كثافة إلى إبطاء السائل.

لعل النتيجة الأكثر عملية لهذا العمل تتعلق بـ "انتقائية الأيونات"، أو قدرة القناة على العمل كمرشح يسمح بمرور نوع واحد من الأيونات بينما يحجب الآخر. وجد الباحثون أن القناة يمكنها التحول من السماح للأيونات الموجبة بالمرور إلى السماح للأيونات السالبة بالمرور ببساطة عن طريق تغيير حجم الأيونات أو سمك الجدران. على سبيل المثال، مع الأيونات الصغيرة، كانت القناة تميل إلى تفضيل الأيونات الموجبة، ولكن مع كبر حجم الأيونات، تحول التفضيل نحو الأيونات السالبة. كان هذا السلوك التحولي أكثر وضوحاً في السوائل المخففة بالقص، والتي أظهرت قدرة أقوى بكثير على فصل الأيونات عن أنواع السوائل الأخرى. وهذا يشير إلى أنه من خلال ضبط سمك جدران البوليمر بعناية واختيار النوع المناسب من السوائل، يمكن للمهندسين تصميم قنوات دقيقة تعمل كمرشحات عالية الكفاءة لجزيئات محددة.

تقدم نتائج هذه الدراسة، المستمدة بالكامل من عمليات المحاكاة الحاسوبية، صورة أوضح لكيفية التحكم في حركة السوائل في عالم النانو. لقد أثبت الفريق أن تجاهل الحجم الفيزيائي للأيونات أو الطبيعة غير النيوتونية للسوائل البيولوجية يؤدي إلى تنبؤات غير دقيقة. ومن خلال تضمين هذه العوامل الواقعية، أظهروا أنه يمكن التحكم في التدفق بدقة. وتشير النتائج إلى أنه بالنسبة لتطبيقات مثل المستشعرات الحيوية أو أجهزة تحويل الطاقة، فإن استخدام السوائل التي تقل لزوجتها تحت الضغط وتصميم قنوات بجدران ذات سمك محدد يمكن أن يحسن الأداء بشكل كبير. لا يدعي هذا العمل أنه حل كل مشكلات علم النانو السائل، ولكنه يوفر إطاراً قوياً لفهم كيف يحدد التفاعل بين حجم الأيون، وخصائص الجدار، وسلوك السائل، حركة السوائل في أصغر المساحات.