عرض مصدر علم الموائع النانوي

يهتم ''' علم الموائع النانوي ''' {{إنج| Nanofluidics}} بدراسة سلوك، معالجة، وضبط [[مائع|الموائع]] المحصورة فقط ضمن الهياكل ذات الأبعاد [[نانومتر|النانومترية]] (عادةً من 1- 100 نانومتراً) (النانومتر = 10<sup>−9</sup> مليمتر). هذا وتعرض الموائع المحصورة ضمن تلك الهياكل مجموعةً من السلوكيات الفيزيائية والتي لا يمكن ملاحظتها في الهياكل الأكبر حجماً، والتي منها تلك الهياكل ذات الأبعاد [[علم الموائع الدقيقة|الميكرومترية]]، وذلك بسبب أن الأطوال الفيزيائية المميزة للمائع (مثال [[طول ديباي]]، [[نصف قطر هيدروناميكي]] {{إنج| Hydrodynamic radius}}) تتداخل بشدة مع أبعاد [[بنية نانوية|الهياكل النانوية]] نفسها. 
[[ملف:NCAM.png|frame|left| رسم توضيحي لأحد الإدراكات أو الإنجازات الخاصة في مجال علم الموائع النانوي في غشاء مصفوفةٍ نانو شعرية {{إنج| nanocapillary array membrane}} (NCAM). حيثث يتكون غشاء المصفوفة النانو شعرية من عددٍ كبيرٍ من الأنابيب الشعرية المتوازية، والتي لكلٍ منها نصف قطر مسامي، ''a/2''، والتي يكون لها نفس الحجم تقريباً ك[[طول ديباي]]، ''κ<sup>-1</sup>''. في حين تتميز الطبقة الكهربائية المزدوجة بتوزيعٍ أيونيٍ مضادٍ، ''N''، والتي تتسم بأنها الأضخم في حائط الثقب أو المسام وتضمحل صوب مركز الثقب.]]

عندما تقترب الهياكل من نظام الحجم المتوافق مع أطوال التحجيم الجزيئية، يتم وضع القيود الفيزيائية الجديدة على سلوك المائع. وعلى سبيل المثال، تستميل القيود الفيزيائية تلك مناطق المائع لاستعراض خصائصاً جديدةً لا تلاحظ في الكتلة السائبة، ومثال ذلك [[لزوجة|اللزوجة]] المتزايدة على نحوٍ واسعٍ بالقرب من حائط الثقب (المسام)؛ حيث أنها قد تؤثر على التغيرات في الخصائص [[ديناميكا حرارية|الديناميكية الحرارية]]، كما أنها قد تغير كذلك [[تفاعلية|التفاعلية الكيميائية]] للأصناف المتواجدة في [[تحفيز|الوسائط]] {{إنج| interface}} القائمة بين المائع والصلب. وقد تم استعراض مثالاً مرتبطاً ومفيداً من خلال المحاليل [[كهرل|الكهرلية]] المحصورة ضمن [[ثقب النانو|ثقوب النانو]] والتي تحتوي على [[شحنة سطحية|شحنات سطحية]] {{إنج| Surface charge}}، والتي منها للتوضيح الواجهات أو الوسائط المكهربة {{إنج| electrified interfaces}}، كما تم توضيحه في غشاء المصفوفة الشعرية النانوية (كما هو موضح بالشكل المرفق على اليسار).

وهنا يجب ملاحظة أن كل واجهات التفاعل (الوسائط) المعتمدة تحفز توزيع الشحنة المنظمة بالقرب من السطح المعروف بـ اسم [[طبقة مزدوجة كهربائية|الطبقة المزدوجة الكهربائية]] {{إنج| Electrical double layer}}. قد توسع الطبقة المزدوجة الكهربائية والتي تحدد أبعادها مسام أو ثقوب النانومتر من عرض ثقب النانو، مما يؤدي إلى تغيرات جوهرية في تركيب المائع والخصائص المرتبطة بحركة المائع في البنية التركيبية. على سبيل المثال، [[نسبة السطح المساحة إلى الكم|نسبة سطح الثقب إلى الكمية]] {{إنج| surface-area-to-volume ratio}} تسفر عن تفوق وغلبة الأيونات المقابلة (للتوضيح: [[أيون|الأيونات]] المشحونة عكسياً لشحنات الحائط الساكنة) على الأيونات المتوافقة (التي تمتلك نفس الإشارة كشحنات الحائط)، ففي العديد من حالات الاستقصاء شبه الكامل للأيونات المتوافقة، فإنه مثل ذلك لا يتواجد سوى صنف أو نوع أيوني واحد فقط في الثقب. وهنا قد يُستخدم هذا لمعالجة الأصناف ذات القطبية المنتقاة على طول الثقب لإنجاز مشروع معالجةٍ موائعيةٍ ير معهودةٍ وغير المتاح في الهياكل [[ميكرومتر|الميكرومترية]] أو الأكبر حجماً. 
== النظرية ==
نشر رايس ووايت هيد في عام 1965 مساهمتهما الجوهرية في نظرية نقل المحاليل الكهرلية في الشعيرات نانوية نصف القطر (غير المحددة بصورةٍ مثاليةٍ).<ref>Rice, C. L.; Whitehead, R. ''Journal of Physical Chemistry'' 1965, '''69''', 4017-4024.</ref> وباختصار، يتم منح [[كمون كهربائي|الكمون الكهربائي]]، ''ϕ'' ، على مسافةٍ قطريةٍ، ''r''، بواسطة معادلة [[معادلة بويزون- بولتزمان]] {{إنج| Poisson–Boltzmann equation}}:
<br /><math>\frac{1}{r}\frac{d}{dr}\left (r \frac{d\phi}{dr} \right )= \kappa^2 \phi \   </math>

حيث تشير ''κ'' إلى [[طول ديباي]]،
<br /><math>\kappa = \sqrt{\frac{8\pi n e^2}{\epsilon k T}} </math>

فمن خلال تحديد [[كثافة العدد|كثافة عدد]] {{إنج| number density}} الأيون، ''n''، [[ثابت العازل|ثابت العازل الكهربائي]] ''ε''، [[ثابت بولتزمان]]، ''k''، ودرجة الحرارة،''T''، يمكن استعادة معرفة طاقة الوضع، ''φ(r)''، [[كثافة الشحنة]] من [[معادلة بويزون]] {{إنج| Poisson equation}}، والذي يمكن التعبير عن حله على أنه [[دلو بسل]] معدلة من النوع الأول، ''I<sub>0</sub>''، وأنه تم ادراجها إلى نصف قطر الأنبوبة الشعرية، ''a''. وهنا يمكن كتابة معادلة الحركة تحت الضغط المصاحب والتيار [[هيدروناميكية كهربائية|المدفوع كهربائياً]] {{إنج| Electrohydrodynamics}}: 
<br /><math>\frac{1}{r} \frac{d}{dr} \left (r \frac{d v_z}{dr} \right )= \frac{1}{\eta} \frac{dp}{dz} - \frac{F_z}{\eta}</math>

حيث تكون ''η'' معبراً عن اللزوجة، ''dp/dz'' تمثل تدرج الضغط، و ''F<sub>z</sub>'' ممثلاً لقوة الجسم المدفوعة بواسطة حركة [[حقل كهربائي|الحقل الكهربائي]] التطبيقي، ''E<sub>z</sub>''، على كثافة شحنة الشبكة في الطبقة المزدوجة. وعندما لا يكون هناك ضغطاً تطبيقياً، فإن التوزيع القطري للسرعة يصاغ كالتالي:
<br /><math>v_z\left (r \right) = \frac{\epsilon \phi_0}{4 \pi \eta} E_z \left [ 1 - \frac {I_0 \left ( \kappa r \right )} {I_0 \left ( \kappa a \right )} \right ]</math>

ومن المعادلة السابقة، فهي تتبع أن تيار السائل أو المائع في الشعريات النانوية يمكن ضبطه بواسطة منتج ''κa''، وهذا هو ما يمثل الأحجام النسبية ل[[طول ديباي]] ونصف قطر الثقب. وكذلك فبواسطة تعديل أو ضبط هاذين العاملين وسطح كثافة شحنة ثقوب النانو السطحية، يمكن معالجة تيار السائل كما هو مرغوب.

== التصنيع ==

[[ملف:ZEISS Crossbeam 550- Your FIB-SEM for High Throughput 3D Analysis and Sample Preparation (33411552526).jpg|thumb|Carl Zeiss Crossbeam 550 <!-- - combines a [[Field emission microscopy|field emission scanning electron microscope]] (FE-SEM) with a focused ion beam (FIB).-->]]

[[ملف:Nanofluidics channels (33411553986).jpg|thumb|<!--علم الموائع النانوي channels fabricated with a Zeiss Crossbeam 550 L, in a silicon master stamp -->]]

يمكن تصنيع الهياكل النانوية كقنواتٍ اسطوانيةٍ مفردةٍ، شقوق نانوية، أو مصفوفات قنوات نانوية من موادٍ متنوعةٍ منها السيليكون، الزجاج، أو البوليمرات (والتي منها على سبيل المثال [[بولي ميتاكريلات الميثيل]] {{إنج| Poly(methyl methacrylate)}}، [[بولي ديميثيل سلوكسان]] {{إنج| Polydimethylsiloxane}}، PCTE) بالإضافة إلى الحوصيلات التركيبية الصناعية.<ref>Karlsson, M.; Davidson, M.; Karlsson, R.; Karlsson, A.; Bergenholtz, J.; Konkoli, Z.; Jesorka, A.; Lobovkina, T.; Hurtig, J.; Voinova, M.; Orwar, O. ''Annu. Rev. Phys. Chem.'' 2004, '''55''', 613-649.</ref> هذا وتستخدم [[طباعة حجرية ضوئية|الطباعة الحجرية الضوئية]] {{إنج| Photolithography}} المعيارية، التوافق السطحي أو الكتلي الدقيق، أساليب النسخ المتماثل (النقش، الطباعة، الصب، وصب الحقن)، المسار النووي أو الخرط الكيميائي <ref>Lichtenberg, J.; Baltes, H. In ''Advanced Micro & Nanosystems'', 2004; Vol. 1, pp 319-355., 4</ref><ref>Mijatovic, D.; Eijkel, J. C. T.; van den Berg, A. ''Lab on a Chip'' 2005, '''5''', 492-500.</ref>، غالباً في تصنيع الهياكل التي تستعرض سلوكاً موائعياً نانوياً مميزاً.

== التطبيقات ==
وبسبب الحجم الصغير للقنوات الموائعية، يتم تطبيق الهياكل الموائعية الدقيقة في مواقفٍ التي تتطلب معالجة العينات في الكميات الصغيرة بصورةٍ زائدةٍ، والتي منها حساب كولتر {{إنج| Coulter counting}} <ref>Saleh, O. A.; Sohn, L. L. ''Review of Scientific Instruments'' 2001, '''72''', 4449-4451.</ref> ، عمليات الفصل والتحديد التحليلي للجزيئات الحيوية، مثل البروتينات والدنا <ref>Han, C.; Jonas, O. T.; Robert, H. A.; Stephen, Y. C. ''Applied Physics Letters'' 2002, '''81''', 3058-3060.</ref> ، بالإضافة إلى المعالجة السطحية للعينات محدودة الكتلة. ولعل واحدةٌ من أكثر المجالات الواعدة تتمثل في قدرتها على الاندماج ضمن أنظمة الموائع الدقيقة، للتوضيح؛ [[مختبر على رقاقة|الأنظمة التحليلية الدقيقة الشاملة]] أو هياكل [[مختبر على رقاقة|هياكل المختبر على رقاقة]]. مع ملاحظة أنه عندما يتم دمج NCAMs داخل أجهزة الموائع النانوية، يصبح لها القدرة على القيام بعملية تحولٍ رقميٍ بصورةٍ متزايدةٍ، مما يسمح بتحول المائع من قناةٍ موائعيةٍ دقيقةٍ إلى أخرى <ref name="Cannon">Cannon, J. D.; Kuo, T.-C.; Bohn, P. W.; Sweedler, J. V. ''Analytical Chemistry'' 2003, '''75''', 2224-2230.</ref> ، حيث تفصل الانتقائية وتنقل المحللات (analytes) بواسطة الحجم والكتلة,<ref name="مولد تلقائيا1">Cannon, J. D.; Kuo, T.-C.; Bohn, P. W.; Sweedler, J. V. Analytical Chemistry 2003, 75, 2224-2230.</ref><ref>Ramirez, P.; Mafe, S.; Alcaraz, A.; Cervera, J. ''Journal of Physical Chemistry B'' 2003, '''107''', 13178-13187.</ref><ref>Kohli, P.; Harrell, C. C.; Cao, Z.; Gasparac, R.; Tan, W.; Martin, C. R. ''Science'' 2004, '''305''', 984-986.</ref><ref>Jirage, K. B.; Hulteen, J. C.; Martin, C. R. ''Analytical Chemistry'' 1999, '''71''' 4913-4918.</ref><ref>Kuo, T. C.; Sloan, L. A.; Sweedler, J. V.; Bohn, P. W. ''Langmuir'' 2001, '''17''', 6298-6303.</ref><ref>Tzu-C. Kuo, Kim, H.K.; Cannon, D.M. Jr.; Shannon, M.A.; Sweedler, J.V.; Bohn, P.W. ''Angewandte Chemie International Edition'' 2004, '''43''', 1862-1865.</ref> ، بالإضافة إلى خلط المتفاعلات بفاعلية <ref name="مولد تلقائيا1"/><ref>Fa, K.; Tulock, J. J.; Sweedler, J. V.; Bohn, P. W. ''Journal of the American Chemical Society'' 2005, '''127''', 13928-13933.</ref> ، وكذلك فصل الموائع ذات الخصائص المتفاوتة المتباينة.<ref>Cervera, J.; Schiedt, B.; Neumann, R.; Mafe, S.; Ramirez, P., Ionic conduction, rectification, and selectivity in single conical nanopores.'' Journal of Chemical Physics'' 2006, '''124''', 104706.</ref> كما أنه يوجد هناك تناظراً طبيعياً فيما بين المائع المتناول لقدرات الهياكل الموائعية النانوية وقدرة المكونات الكهروإلكترونية على ضبط تيار الإلكترونيات والثقوب. حيث استُخْدِم ذلك التناظر لتحقيق الوظائف الإلكترونية النشطة والتي منها مثلاً تصحيح الموجة (التكرير) (rectification) والتأثير الحقلي <ref>Karnik, R.; Castelino, K.; Majumdar, A., Field-effect control of protein transport in a nanofluidic transistor circuit. ''Applied Physics Letters'' 2006, '''88''', 123114.</ref><ref>Karnik, R.; Fan, R.; Yue, M.; Li, D.Y.; Yang, P.D.; Majumdar, A., Electrostatic control of ions and molecules in nanofluidic transistors. ''NanoLetters'' 2005, '''5''', 943-948.</ref> بالإضافة إلى حركة [[ترانزستور|المقحل]] <ref>Daiguji, H.; Yang, P.D.; Majumdar, A., Ion transport in nanofluidic channels. ''NanoLetters'' 2004, '''4''', 137-142.</ref><ref>Ivan Vlassiouk and Zuzanna S. Siwy, Nanofluidic Diode. ''Nano Letters'' 2007, '''7''', 552-556</ref> ثنائية القطب ذات التيارات الأيونية. كذلك يمكن استخدام تطبيقات الموائع النانوية في مجال البصريات النانوية لإنتاج tuneable microlens array.<ref>Liquid micro-lens array activated by selective electrowetting on lithium niobate substrates
S. Grilli, L. Miccio, V. Vespini, A. Finizio, S. De Nicola, and P. Ferraro
Optics Express 16, 8084-8093 (2008). http://dx.doi.org/10.1364/OE.16.008084</ref><ref>P. Ferraro, L. Miccio, S. Grilli, A. Finizio, S. De Nicola, and V. Vespini, "Manipulating Thin Liquid Films for Tunable Microlens Arrays," Optics & Photonics News 19, 34-34 (2008) http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=OPN-19-12-34</ref>

هذا وللموائع النانوية تأثيراً هاماً وحيوياً في مجالات [[تقانة حيوية|التقانة الحيوية]]، [[طب|الطب]] والتشخيصات السريرية مع تطوير أجهزة [[مختبر على رقاقة|المختبرات على رقاقة]] من أجل تحقيق [[تفاعل البوليمراز المتسلسل|تفاعل البوليميراز المتسلسل (بي سي آر)]] والأساليب الأخرى المرتبطة به.<ref name= Herold2>{{استشهاد بكتاب |مؤلف= Herold, KE; Rasooly, A (editor)| سنة=2009 |عنوان=Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis | ناشر=Caister Academic Press | الرقم المعياري= 978-1-904455-47-9}}</ref>

وبما أن علم الموائع النانوي ما زال في مرحلة صباه المبكرة، فنستطيع أن نتوقع نمواً سريعاً في مجا التطبيقات الجديدة خلال الأعوام القادمة.

== التحديات ==
نشأت العديد من التحديات المصاحبة لتدفق تيار الموائع عبر [[أنابيب نانوية كربونية|الأنابيب النانوية الكربونية]] والمواسير النانوية. ومن تلك التحديات الشائعة إعاقة القناة بسبب الجزيئات النانوية الضخمة المتواجدة في المائع. وكذلك يمكن للحطام غير القابل للزوبان في المائع أن يسد الأنبوب بسهولة. ولعل أحد حلول ذلك تتمثل في محاولات الباحثين العثور على طبقة طلاءٍ أقل احتكاكاً أو موادٍ لتصنيع القناة تساعد على تقليص إعاقة الأنابيب. ومن الأسباب الأخرى كذلك حجم البوليمرات الضخم، متضمنةً الجزيئات المرتبطة حيوياً مثل ال[[حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين|دنا]] غالباً ما تثنى [[في الجسم الحي|في الحيوية]]. مما يسفر عن إعاقة للمائع بسبب أن جزيئات الحمض النووي (دنا) الناجمة من الفيروس لها أطوال تتراوح من 100 إلى 200 كيلو قاعدي والتي تشكل ملفاً أو شبكة أنبوبية من نصف قطرٍ يصل إلى 700 نانومتراً في المحلول المائي في 20%. كما أن هذا يُعد أضخم مراتٍ عديدةٍ من قطر الثقب للأنابيب الكربونية الضخمة الأحادية ومرتين من مقدار قطر أنبوبٍ نانويٍ كربونيٍ أحادي الجدار.

== انظر أيضا ==
* [[تقانة النانو|تقانة نانوية]]
* [[أنابيب نانوية كربونية]]
* [[ثقب النانو]]
* [[ميكانيكا النانو]]
* [[علم الموائع الدقيقة]]

== المصادر ==
{{مراجع}}
{{شريط بوابات|تقنية النانو|الفيزياء|الكيمياء|كيمياء فيزيائية|كيمياء تحليلية}}
{{ضبط استنادي}}

[[تصنيف:تقنية النانو]]
[[تصنيف:جريان الموائع]]
[[تصنيف:علم السطوح]]
[[تصنيف:علم المواد]]
[[تصنيف:كيمياء السطوح]]
[[تصنيف:كيمياء تحليلية]]