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

Stel je een wereld voor waarin de kleinste rivieren niet door rots of grond stromen, maar door kanalen die zo smal zijn dat een enkele menselijke haar eruit zou zien als een enorme kloof. In dit microscopische rijk bestuderen wetenschappers hoe vloeistoffen bewegen wanneer ze door elektriciteit worden voortgestuwd in plaats door zwaartekracht of pompen. Deze beweging, bekend als elektroosmotische stroming, vindt plaats wanneer een elektrisch veld aan geladen deeltjes in een vloeistof trekt, waardoor de rest van de vloeistof met hen mee wordt gesleept. Deze minuscule kanalen zijn vaak bekleed met een zachte, sponsachtige laag polymeren, die elektrische ladingen kunnen vasthouden en de manier waarop de vloeistof zich gedraagt kunnen veranderen. Het begrijpen van deze dans tussen elektriciteit en vloeistof is cruciaal voor het bouwen van toekomstige apparaten zoals ultrasensitieve medische sensoren of piepkleine energiegeneratoren, maar de fysica wordt ongelooflijk complex wanneer de vloeistof zelf dik en plakkerig is, zoals honing of bloed, in plaats van dun en waterig zoals water.

Een team van onderzoekers heeft onlangs geprobeerd deze complexe terrein in kaart te brengen, waarbij ze zich concentreerden op een specifiek type dikke vloeistof die van dikte verandert afhankelijk van hoe snel deze wordt voortgeduwd. Ze wilden zien hoe deze vloeistof zou bewegen door een nanochannel waarvan de wanden waren bekleed met deze zachte, geladen polymeerlagen. Cruciaal was dat ze de kleine ionen die in de vloeistof zweven niet behandelden als eenvoudige, dimensieloze punten. In plaats daarvan hielden ze rekening met het feit dat deze ionen een werkelijke fysieke omvang hebben en dat de zachte wanden van het kanaal hen anders zouden kunnen afstoten of aantrekken dan de vloeistof in het midden. Door een gedetailleerd computermodel van dit systeem te bouwen, ontdekten ze dat de grootte van de ionen, de dikte van de zachte wanden en de "plooibaarheid" van de vloeistof samenwerken om te bepalen hoe snel de vloeistof beweegt en welke soorten ionen erdoorheen kunnen passeren.

De onderzoekers modelleerden een kanaal dat slechts 50 nanometer hoog is, een afstand die zo klein is dat er duizenden over de breedte van een menselijke haar zouden passen. De wanden van dit kanaal waren bedekt met polymeerlagen van variërende dikte, sommige aan de onderkant, sommige aan de bovenkant, en soms op beide. Deze lagen droegen een vaste elektrische lading, wat een sterk elektrisch veld binnen het kanaal creëerde. Wanneer ze een extern elektrisch veld langs de lengte van het kanaal toepasten, begon de vloeistof te bewegen. De snelheid en richting van deze stroming hing echter sterk af van de aard van de vloeistof. Ze testten vloeistoffen die zich gedragen als schijnbaar verdunnende (shear-thinning) vloeistoffen, die dunner en makkelijker stromen wanneer ze hard worden voortgeduwd, evenals vloeistoffen die dikker worden en stroming weerstaan onder druk. Hun simulaties toonden aan dat de schijnend verdunnende vloeistoffen aanzienlijk sneller bewogen dan de andere. Dit komt doordat de vloeistof nabij de wanden effectief minder viskeus wordt, waardoor er minder weerstand is tegen de elektrische trek kracht.

Een groot deel van hun onderzoek betrof de fysieke omvang van de ionen zelf. In veel oudere modellen namen wetenschappers aan dat deze ionen dimensieloze puntjes waren, maar de onderzoekers vonden dat hun werkelijke omvang enorm belangrijk is. Wanneer de ionen groter zijn, worstelen ze om zich in de drukke ruimtes binnen de zachte polymeerlagen te persen, een fenomeen dat bekend staat als sterische hindering. Dit verdringend effect verandert de elektrische omgeving binnen het kanaal. Het team vond dat kleinere ionen veel sneller konden bewegen dan grotere ionen omdat ze minder fysieke weerstand ondervonden. Bovendien hing de manier waarop de ionen zich verdeelden tussen de zachte wandlaag en de vloeistof in het midden af van een eigenschap genaamd diëlektrische permittiviteit, wat in essentie meet hoe goed een materiaal elektrische velden doorlaat. Wanneer het materiaal van de zachte wand een lagere permittiviteit had dan de vloeistof, creëerde dit een energiebarrière die het voor ionen moeilijker maakte om erin te dringen, waardoor ze effectief werden gefilterd op basis van hun grootte en lading.

De studie onthulde ook hoe de arrangement van de geladen wanden de stroming beïnvloedde. Wanneer de boven- en onderwanden hetzelfde type lading hadden, was de stroming relatief rechtlijnig. Maar wanneer de wanden tegengestelde ladingen hadden, werd de situatie ingewikkelder. In deze asymmetrische opstellingen concurreerden de elektrische krachten van de bovenste en onderste wanden met elkaar, wat een stroompatroon creëerde dat varieerde over de breedte van het kanaal. De onderzoekers observeerden dat de dikte van de polymeerlagen een beslissende rol speelde hierbij. Dikker lagen bevatten meer vaste ladingen, wat het elektrische veld versterkte en de stroomsnelheid verhoogde, maar slechts tot op zekere hoogte. Als de lagen te dik werden of als de ionen te groot waren om er effectief in door te dringen, vertraagde de stroming. Ze vonden ook dat de "zachtheid" van de polymeerlaag, of hoe gemakkelijk de vloeistof erdoorheen kon dringen, fungeerde als een rem op de stroming; zachtere, gemakkelijker penetrerbare lagen maakten snellere beweging mogelijk, terwijl dichtere lagen de vloeistof vertraagden.

Misschien wel de meest praktische bevinding van dit werk betreft de ionenselectiviteit, of het vermogen van het kanaal om als een filter te fungeren dat slechts één type ion doorlaat terwijl het het andere blokkeert. De onderzoekers ontdekten dat het kanaal kon schakelen van het doorlaten van positieve ionen naar het doorlaten van negatieve ionen, simpelweg door de grootte van de ionen of de dikte van de wanden te veranderen. Bijvoorbeeld, met kleine ionen had het kanaal de neiging om positieve ionen te bevoordelen, maar naarmate de ionen groter werden, verschoof de voorkeur naar negatieve ionen. Dit schakelgedrag was het meest uitgesproken in de schijnend verdunnende vloeistoffen, die een veel sterker vermogen vertoonden om ionen te scheiden dan de andere soorten vloeistoffen. Dit suggereert dat ingenieurs, door de dikte van de polymeerwanden nauwkeurig af te stemmen en het juiste type vloeistof te kiezen, minuscule kanalen kunnen ontwerpen die fungeren als uiterst efficiënte filters voor specifieke moleculen.

De resultaten van dit onderzoek, die volledig afkomstig zijn uit computersimulaties, bieden een helderder beeld van hoe men de vloeistofbeweging in de nanoschaal kan beheersen. Het team heeft aangetoond dat het negeren van de fysieke omvang van ionen of het niet-Newtoniaanse karakter van biologische vloeistoffen leidt tot onnauwkeurige voorspellingen. Door deze realistische factoren op te nemen, lieten ze zien dat de stroming precies gemanipuleerd kan worden. De bevindingen suggereren dat voor toepassingen zoals biosensoren of energieconversieapparaten, het gebruik van vloeistoffen die dunner worden onder druk en het ontwerpen van kanalen met specifieke wanddiktes de prestaties aanzienlijk kan verbeteren. Het werk beweert niet elk probleem in de nanofluidica te hebben opgelost, maar biedt een robuust kader om te begrijpen hoe de wisselwerking tussen iongrootte, wandeigenschappen en vloeistofgedrag de beweging van vloeistoffen in de kleinste ruimtes bepaalt.